Après le proton, le deutéron

L’atome d’hydrogène est le plus simple des atomes, ce qui en fait un outil privilégié pour comparer théorie et expérience. A ce jour compte tenu de la précision des expériences de spectroscopie laser et celles des calculs QED, ce test est limité par la connaissance du rayon de distribution de charge du proton.

En 2009, à l’institut Paul Scherrer (Suisse), la première spectroscopie laser de l’hydrogène muonique, constitué d’un proton et d’un muon négatif, a été réalisée par la collaboration internationale CREMA à laquelle participe le LKB. Cette expérience a permis de déterminer ce rayon avec une incertitude record. Cependant la valeur trouvée est en profond désaccord avec celles connues, en particulier avec celle déduite de la spectroscopie de l’hydrogène électronique (formé  d’un proton et d’un électron).  Cette problématique, connue sous le nom de « l’énigme du proton» a suscité de nombreux travaux qui vont bien au delà de la communauté de la physique atomique. A ce jour aucune explication à ce désaccord n’a été trouvée.

La spectroscopie laser du deutérium muonique a aussi été réalisée en 2009. L’analyse des résultats vient d’être publiée dans la revue « Science ».  Le principe de l’expérience est le même que celui de l’hydrogène muonique. Les corrections aux niveaux d’énergie de l’atome, dues à la distribution de charge du noyau sont exaltées en remplaçant l’électron par un muon car la masse du muon est 200 fois celle de l’électron et sa fonction d’onde est donc beaucoup plus concentrée  sur le noyau. Ce noyau, appelé deutéron, est composé d’un proton et d’un neutron. Là encore la « taille du deutéron » est plus petite que celle estimée jusqu’à maintenant, en bon accord celle du proton obtenue à partir de l’hydrogène muonique, ce qui renforce l’énigme du proton.