La taille du noyau d'hélium mesurée avec une précision inégalée

Après l'hydrogène, l'hélium est le deuxième élément le plus abondant dans l'univers. Environ un quart des noyaux atomiques qui se sont formés dans les premières minutes après le big bang étaient des noyaux d'hélium. Ceux-ci sont composés de quatre éléments constitutifs, à savoir deux protons et deux neutrons. Pour la physique fondamentale, il est crucial de conna?tre les propriétés du noyau d'hélium, entre autres pour comprendre les processus qui se déroulent dans d'autres noyaux atomiques. "Le noyau d'hélium est un noyau très fondamental", explique Aldo Antognini, physicien au PSI et à l'ETH Zurich.

La collaboration internationale de recherche a désormais réussi à déterminer la taille du noyau d'hélium avec une précision environ cinq fois supérieure à celle des mesures effectuées jusqu'à présent. Le groupe a publié ses résultats aujourd'hui dans la célèbre revue spécialisée page externe"Nature" a été publiée. Selon ces données, ce que l'on appelle le rayon de charge moyen du noyau d'hélium est de 1,67824 femtomètre (1 billion de femtomètres donnent 1 mètre).

"L'idée derrière nos expériences est simple", explique Antognini. "Normalement, deux électrons chargés négativement tournent autour du noyau d'hélium chargé positivement. Mais pour nos expériences, nous n'avons pas utilisé des atomes normaux, mais des atomes exotiques dans lesquels les deux électrons ont été remplacés par un seul muon". Le muon est considéré comme le frère lourd de l'électron ; il lui ressemble certes, mais il est environ 200 fois plus lourd que lui. C'est pourquoi un muon est beaucoup plus lié au noyau atomique qu'un électron et tourne autour de celui-ci sur des orbites beaucoup plus étroites. Par rapport aux électrons, un muon a beaucoup plus de chances de se trouver dans le noyau lui-même. "Avec l'hélium myonique, nous pouvons ainsi tirer des conclusions sur la structure du noyau atomique et mesurer ses propriétés", explique Antognini.

Des muons lents, un système laser compliqué

Les muons sont produits au PSI à l'aide d'un accélérateur de particules. La spécialité de cette installation est de produire des muons à faible énergie. Ces particules sont lentes et peuvent être stoppées dans l'appareillage pour les expériences. C'est la seule fa?on de former les atomes exotiques dans lesquels un muon éjecte un électron de sa trajectoire et le remplace. Les muons rapides, en revanche, traverseraient l'appareillage. L'installation PSI fournit plus de muons de basse énergie au monde que toutes les autres machines comparables. "C'est pourquoi l'expérience avec l'hélium myonique ne peut être réalisée qu'ici", explique Franz Kottmann, qui a fait avancer les travaux préparatoires nécessaires à cette expérience depuis 40 ans.

Dans l'expérience, les muons rencontrent une petite chambre remplie d'hélium gazeux. Si les conditions sont réunies, il en résulte de l'hélium myonique, dans lequel le muon se trouve dans un état d'énergie où il séjourne souvent dans le noyau de l'atome. "C'est maintenant qu'intervient le deuxième élément important de l'expérience : le système laser", explique Antognini. Ce système compliqué envoie une impulsion laser sur l'hélium gazeux. Si la lumière laser a la bonne fréquence, elle excite le muon et le transporte dans un état d'énergie plus élevé, dans lequel sa trajectoire passe pratiquement toujours à l'extérieur du noyau. Si le muon retombe ensuite dans son état fondamental, il émet des rayons X qui peuvent être enregistrés par des détecteurs.

Lors de l'expérience, la fréquence du laser varie jusqu'à ce qu'un maximum de signaux de rayons X arrivent. Les physiciens parlent alors de ce qu'ils appellent la fréquence de résonance. Gr?ce à elle, il est possible de déterminer la différence entre les deux états énergétiques du muon. Selon la théorie, la différence d'énergie mesurée dépend de la taille du noyau atomique. Les équations théoriques permettent donc de déterminer le rayon. L'évaluation des données nécessaire à cet effet a été réalisée par le groupe de Randolf Pohl à l'université Johannes Gutenberg de Mayence.

Pierre de touche de la physique nucléaire

"Notre mesure peut être utilisée de différentes manières", explique Julian Krauth, premier auteur de l'étude : "Ainsi, le rayon du noyau d'hélium est une pierre de touche importante pour la physique nucléaire". Les noyaux atomiques sont maintenus ensemble par ce que l'on appelle l'interaction forte, l'une des quatre forces fondamentales de la physique. Gr?ce à la théorie de l'interaction forte, appelée chromodynamique quantique, les physiciens souhaitent pouvoir prédire le rayon du noyau d'hélium et d'autres noyaux atomiques légers contenant peu de protons et de neutrons. La mesure extrêmement précise du rayon du noyau d'hélium met ces prédictions à l'épreuve. Elle permet également de tester de nouveaux modèles théoriques de la structure nucléaire et donc de mieux comprendre les noyaux atomiques.

Les mesures sur l'hélium myonique peuvent également être comparées à des expériences sur des atomes et des ions d'hélium normaux. Sur ces derniers, il est également possible de déclencher et de mesurer des transitions énergétiques à l'aide de systèmes laser - mais ici par des électrons au lieu de muons. En comparant les résultats des deux méthodes de mesure, il est possible de tirer des conclusions sur les constantes fondamentales de la nature, comme la constante de Rydberg, qui joue un r?le dans la mécanique quantique.