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  • Comment Mesure-t-on le Rayon d’un Proton ?

    Posté le 16 septembre 2016

    Proton-illustrationUn proton est une particule qui contient 3 quarks chargés (2 quarks up et un quark down) liés par la force nucléaire forte.

    La notion de taille pour une particule comme le proton, qui est dans le domaine de la physique quantique, est difficile à définir. Mais il y a 2 manières classiques de mesurer son rayon : par diffusion des électrons d’un atome d’hydrogène ou en regardant de très près la différence entre certains niveaux d’énergie de l’atome d’hydrogène (cette différence est appelée décalage de Lamb)

    Le décalage de Lamb est la différence d’énergie entre les 2 niveaux de l’atome d’hydrogène, notés 2S1/2 et 2P1/2. Il est dû à l’interaction entre les fluctuations quantiques du vide et l’électron de l’hydrogène. Il a été découvert en 1930 par Willis Lamb. Ce décalage d’énergie est si faible qu’il est très sensible au rayon du proton.

    Le rayon du proton, qui est défini comme la distance à laquelle la densité de charge descend en dessous d’une certaine valeur, est estimé à 0,8751 femtomètres.

    Mesure du rayon par diffusion élastique électron-proton
    Un faisceau d’électrons est dirigé sur une source de protons et les angles de diffusion sont mesurés. La probabilité de diffusion peut être calculée en fonction du rayon du proton. En mesurant l’angle de diffusion on peut donc déduire le rayon du proton.

    Mesure du rayon par spectroscopie de l’hydrogène
    La lumière provenant d’une source est dispersée à travers un prisme ou un réseau de diffraction pour révéler les lignes d’émission ou d’absorption de la source. Dans le cas de l’hydrogène on fait passer un courant électrique à travers un tube de verre qui contient de l’hydrogène. Les lignes d’émission spectrales observées sont dûes aux transitions atomiques d’un niveau d’énergie élevé à un niveau d’énergie inférieur. Avec un pouvoir de résolution de plus en plus élevé nous pouvons révéler de plus en plus de détails avec des décalages d’énergie de plus en plus petits entre les états. Ces décalages d’énergie peuvent être prédits par l’équation d’onde relativiste connue sous le nom d’équation de Dirac.
    En comparant les lignes d’émission avec les valeurs prédites par l’équation de Dirac on peut valider ou mettre en doute les théories acceptées. Cependant, avec des capacités de résolution toujours plus importantes, l’équation de Dirac a été étendue pour inclure la dynamique atomique complexe observée. Ces corrections quantiques sont généralement additives été sont connues sous le nom de corrections radiatives. La différence d’énergie calculée prend en compte toutes ces corrections quantiques qui dépendent du rayon du proton. C’est comme cela que l’on peut calculer le rayon du proton à partir du décalage d’énergie observé.

    L’énigme du rayon du proton
    De nouvelles mesures effectuées avec un muon en lieu et place de l’électron ont donné des résultats différents : 0.84814 femtomètres et 0.84087 femtomètres
    Voir Le Mystère du Rayon du Proton Persiste

    proton-rayon-electron-muon

    Sources : The Lindau Nobel Laureate Meetings, Physics World et HIUP

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