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La taille du proton pose un vrai problème


Bien que très petit, un proton tient un certain volume, de quoi y mettre ses constituants : trois quarks et de nombreux gluons. La taille d’un proton est ainsi déterminée par ses constituants élémentaires et leurs interactions, et dépend donc intimement du modèle standard des particules et de la théorie de la chromodynamique quantique. Or la taille du proton reste aujourd’hui un sujet de controverse, étant différente selon la manière de la mesurer.

Le rayon du proton peut être mesuré grâce au fait que sa charge s’étale dans son volume, ce qui influence l’orbite d’un électron qui lui serait lié. Les mesures effectuées avec des électrons sont bien en accord avec les théories existantes, mais il y a trois ans, des physiciens ont eu l’idée de mesurer la taille du proton en utilisant non pas un électron en orbite, mais un muon négatif (le cousin plus lourd de l’électron), pour donner une version exotique d’un atome d’hydrogène. Le résultat qu’ils ont alors trouvé pour la taille du proton était totalement différent de la valeur théorique. Cet écart problématique tend à montrer l’existence d’un gros défaut dans nos modèles théoriques. Afin de creuser d’avantage le problème soulevé, la même équipe de physiciens menés par le physicien allemand Randolf Pohl (université de Mainz), ont refait une nouvelle expérience, toujours avec un muon à la place de l’électron, mais cette fois-ci en remplaçant le proton par un couple proton-neutron, ce qui forme un noyau de deutérium. Le muon est un lepton comme l’électron, de même charge électrique mais de masse 207 fois plus importante. Il est instable et se désintègre en un couple électron-antineutrino mu en quelques microsecondes, une durée courte mais suffisante pour effectuer des mesures de précision.

Le principe de la mesure consiste à regarder quelle quantité d’énergie est nécessaire pour faire passer le muon d’une orbitale à l’autre au sein de cet atome exotique de deutérium. A partir de cette valeur, les physiciens en déduisent la taille du proton, en prenant en compte la présence du neutron qui doit altérer la façon dont les électrons et les muons perçoivent la charge électrique du proton.
L’expérience n’est pas une petite manip faite dans une cuisine : des muons énergétiques sont tout d’abord produits dans un accélérateur de particules au Paul Sherrer Institute en Suisse, leur grande vitesse (relativiste) permet d’allonger leur durée de vie avant désintégration par dilatation relativiste de leur temps propre. Ils doivent ensuite être très fortement ralentis pour pouvoir être mis en orbite autour des noyaux de deutérium : le faisceau est envoyé dans une chambre remplie de deutérium où ils sont ralentis puis capturés, pendant qu’un laser est envoyé simultanément dans le gaz sous forme d’impulsions dont l’énergie est modifiée jusqu’à faire passer les muons d’une orbitale de type 2s vers une orbitale 2p par absorption des photons. Les muons qui sont ainsi excités reviennent rapidement sur leur orbitale d’origine en émettant un photon X d’énergie caractéristique correspondant à l’énergie séparant les deux orbitales. Les chercheurs ont détecté en moyenne 10 photons X par heure, dont 3 étaient du bruit de fond. Un signal très faible, mais très significatif.

Le résultat obtenu par la collaboration internationale est à nouveau en forte tension avec les modèles théoriques : le proton apparaît plus petit que la « normale », plus petit que quand c’est un électron qui est en orbite… alors qu’il ne devrait y avoir aucune différence. Le rayon mesuré vaut 0,8356 fm, il est encore plus petit que la valeur obtenue en 2013 avec un proton seul (0,8409 fm), la valeur théorique issue du modèle standard est de 0,8745 fm soit 4,4% de différence.
Aujourd’hui, cette différence, qui est donc observée à la fois avec un proton seul et avec un noyau de deuterium, n’est absolument pas expliquée par nos  modèles théoriques. Quelque chose semble agir entre le proton et le muon… Parmi les explications envisageables, d’après les physiciens, celles qui conservent le modèle standard en l’état sont beaucoup plus improbables que celles qui proposent une modification du modèle standard en y ajoutant par exemple une nouvelle force. Une telle idée d’une physique au-delà du modèle standard pour le muon est aussi poussée par le fait qu’un autre type de mesure sur le muon, la mesure du moment magnétique dipolaire, ne donne pas la valeur prédite par le modèle satndard…

Les physiciens sont dans l’impasse sur le problème de la taille du proton. La seule solution, outre le tableau noir, est de faire de nouvelles expériences, différentes ou plus précises. Une des idées avancées pour explorer l’existence éventuelle d’une nouvelle force serait de faire diffuser un faisceau de muons directement sur des protons pour voir ce qui se passe et si les interactions sont conformes avec ce que prédit le modèle standard, ou si il faut réellement aller voir au-delà.
Source :

Laser spectroscopy of muonic deuterium
Randolf Pohl et al.
Science  Vol. 353, Issue 6300, pp. 669-673 (12 Aug 2016)
illustrations :

1) Karsten Schuhmann (à gauche) et Aldo Antognini du Paul Scherrer Institute inspectent le laser utilisé dans leurs mesures de spectroscopie sur le deutérium muonique. (Paul Scherrer Institute/Markus Fischer)

2) Schéma de l’hydrogène normal et de l’hydrogène muonique où un muon remplace l’électron (Université de Taiwan)
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Qu’est-ce que l’eau lourde ?

piscine nucléaire avec radiation de cherenkov
piscine nucléaire avec radiation de cherenkov
Tout le monde sait que l’eau est une molécule qui se note $text{H}_2text{O}$ : deux atomes d’hydrogène pour un atome d’oxygène. L’hydrogène est l’élément le plus simple, constitué d’un proton et d’un électron. Certains atomes d’hydrogène sont différents : ils ont un neutron en plus. Les éléments avec plus ou moins de neutrons sont appelés des isotopes. L’isotope de l’hydrogène est appelée deutérium — symbole $text{D}$ ou $^2text{H}$. Le deutérium est un atome stable qui possède globalement les mêmes propriétés chimiques que l’hydrogène (ce qui est normal car ça reste de l’hydrogène). Il peut donc se retrouver dans les molécules ordinaires, comme l’eau. Ainsi, en formant une molécule d’eau avec deux atomes de deutérium, soit du $text{D}_2text{O}$, la molécule possède deux neutrons en plus et elle pèse donc plus lourd : on parle alors d’eau lourde. La différence en de masse par rapport à une molécule d’eau normale est tout de même de 10 %. Cette différence est suffisante pour être visible : par exemple, un glaçon d’eau lourde coule dans de l’eau normale (alors que les glaçons normaux flottent). Dans la nature, seulement 0,015 6 % de l’hydrogène est du deutérium. Statistiquement, donc, une molécule d’eau sur 41 000 000 est de l’eau lourde, et une molécule d’eau sur 3 200 voit un seul hydrogène remplacé par du deutérium. On appelle cette dernière eau semi-lourde. Des procédés, existent pour extraire l’eau lourde à partir d’eau normale : la température d’ébullition de l’eau lourde est très légèrement supérieure à l’eau normale et on peu le distiller ainsi. On utilise aussi des systèmes de centrifugeuses.
Pour finir sur le deutérium et vous donner une idée, sachez que vous trouverez un peu moins de deux grammes d’eau semi-lourde dans un pack d’eau de source. Et votre corps, constitué majoritairement d’eau, contient également 5 à 10 grammes d’eau semi-lourde (et seulement quelques milligrammes d’eau lourde) ! Maintenant, de même qu’il existe des isotopes d’hydrogène, il existe des isotopes d’oxygène, eux aussi plus lourds que la normale : par exemple l’oxygène 18 avec deux neutrons supplémentaires.
Si on a deux hydrogènes normaux sur un atome de $^{18}text{O}$, on obtient de l’eau lourde aussi, mais pas pour les mêmes raisons et elle n’est pas vraiment considérée comme de « l’eau lourde » (en fait on le désigne sous le nom « eau à oxygène lourd »). Vous l’aurez compris : il est également de faire de l’eau super-lourde : avec deux atomes de deutérium sur un atome $^{18}text{O}$. Cette molécule d’eau possède 4 neutrons supplémentaires et pèse 20 % de plus que l’eau normale. Enfin, il se trouve que l’hydrogène a un second isotope naturel, beaucoup plus rare (et instable) : le tritium — symbole $text{T}$ ou $^3text{H}$ — avec deux neutrons en plus.
Là aussi, il est imaginable d’avoir une molécule contenant un atome $^{18}text{O}$ et deux atomes de tritium. Une telle molécule serait excessivement rare dans la nature : statistiquement, on a seulement une chance sur 50 milliard de milliard de milliard. Cette molécule a un excès de masse de 30 % Il est impensable de produire des quantités d’eau super-super-lourde avec du tritium et un isotope d’oxygène. Mais l’eau lourde classique, le $text{D}_2text{O}$ n’est pas un produit rare (tout est relatif, hein) et est utilisé dans le domaine médical et l’industrie nucléaire. image du Oak Ridge National Laboratory (Cet article a initialement été publié sur Le Hollandais Volant. J’ai décidé de le déplacer ici, avec ses commentaires) Continue reading

Découverte d’une planète tellurique autour de Proxima Centauri

Une planète tellurique est donc en orbite autour de Proxima Centauri à une distance de l’étoile propice à la présence d’eau liquide. Proxima b est ainsi l’exoplanète la plus proche de la Terre, mais 4,2 années-lumière est toujours très très loin…
Cette information qui fait sensation, ne devrait pourtant pas. On sait depuis les découvertes du télescope Kepler, que le nombre de planètes de type Terre est de l’ordre de 10 à 20 milliards dans notre galaxie. Il n’est donc pas surprenant que l’une d’entre elles se trouve autour de cette naine rouge Proxima Cen, qui se trouve être l’étoile la plus proche du Soleil. Le fait qu’elle se situe dans la zone qu’on appelle « zone habitable » et qui veut simplement dire que la température à sa surface est compatible avec la présence d’eau liquide est intéressant, mais ne nous y trompons pas : cela ne signifie en aucun cas que cette planète soit habitable en tant que tel. La première condition (la possibilité de présence de l’eau sous forme liquide) est simplement remplie.
Pour être habitable, cette planète devrait en outre posséder de l’eau, ce qui n’est pas évident a priori, ainsi qu’une atmosphère adaptée chimiquement (les bons éléments) et physiquement (la bonne pression et température). Un autre élément qui fait que Proxima b pourrait être difficilement habitable est qu’elle serait en rotation synchrone, à la manière de la Lune autour de la Terre : le même hémisphère serait toujours orienté vers l’étoile, ce qui donnerait un hémisphère plutôt chaud et l’autre beaucoup plus froid, avec les effets atmosphériques néfastes que cela induit. Par ailleurs, les naines rouges comme Proxima Cen sont des étoiles qui produisent de nombreuses éruptions (particules chargées), ce qui ne paraît pas très accueillant… à moins que la planète ne possède un fort champ magnétique, utile pour dévier les protons du vent stellaire (ou que les formes de vie potentielles soient très résistantes au rayonnement). La proximité de la planète de son étoile induit également un flux intense de rayons UV et de rayons X (400 fois plus que ce que reçoit la Terre). Proxima b subirait également directement le champ magnétique de Proxima, soit un champ de 600 Gauss (environ 500 fois plus important que le champ magnétique mesuré sur Terre).
La masse de Proxima b a pu être évaluée à au moins 1,3 fois celle de la Terre (elle peut être supérieure). Elle se trouve très proche de l’étoile (7 millions de km) ce qui lui fait une période orbitale de 11,2 jours, l’année y est vraiment très courte… C’est parce que la naine rouge est froide (3050 K) et petite (une masse de 0,12 masse solaire et un rayon de 14% de celui du Soleil) que la planète peut être si près tout en se trouvant dans la zone de l’eau liquide. En termes de luminosité, Proxima émet 700 fois moins que notre Soleil.
C’est en 2000 qu’un projet de recherche a été lancé pour étudier le spectre de Proxima Cen sur le télescope de 3,6 m de l’ESO à La Silla au Chili, à la recherche de variations périodiques du décalage spectral qui signeraient la présence d’un petit corps en orbite, produisant d’infimes variations de vitesses mais décelables dans le spectre. Après avoir trouvé des indices de telles oscillations de décalage spectral avec une période de 11,2 ans, les astronomes ont cherché à éliminer toutes les autres possibilités pouvant mimer ce signal, comme par exemple une variation propre à l’étoile.  
Entre janvier et mars 2016, l’équipe de Guillem Anglada-Escudé (Queen Mary University, Londres) a donc observé Proxima Cen chaque nuit durant 20 minutes d’affilée sur d’autres télescopes de l’ESO pour déterminer sans doute possible que l’oscillation de décalage spectral était bien dû à la présence d’une planète. Les données qui s’étalent sur plus de 15 ans apparaissent très robustes et permettent aux astronomes d’annoncer cette découverte avec confiance.
Les chercheurs, à partir de leurs données, ne peuvent pas exclure  la présence potentielle d’une deuxième planète plus massive qui pourrait tourner autour de Proxima Cen avec une orbite plus éloignée (avec une période comprise entre 100 et 400 jours), donc en dehors de la zone de l’eau liquide de l’étoile, et qui n’aurait pas d’effet de perturbation sur Proxima b.
Les astronomes cherchent maintenant activement à voir si Proxima b ne ferait pas des transits devant Proxima, ce qui permettrait de savoir si elle possède une atmosphère et de déterminer sa taille, et donc sa densité et indirectement sa composition. En vain pour le moment.

Les prochaines décennies pourraient offrir la possibilité de produire une imagerie directe de Proxima b et pourquoi pas une étude spectroscopique de haute résolution pour en apprendre toujours plus sur sa nature, grâce aux futurs grands télescopes. Quant à y envoyer une sonde, quelques siècles seront sans doute encore nécessaires, sachant qu’à la vitesse de notre sonde la plus rapide actuelle (Juno), le temps de trajet pour rejoindre Proxima b est de 20 000 ans environ. Et oubliez ces projets de type Breakthrough Starshot qui visent à envoyer une microsonde à 20% de la vitesse de la lumière pour rejoindre Proxima en 20 ans sans moyen de freinage : un tel truc survolerait l’exoplanète en moins d’une seconde, de quoi ne rien pouvoir analyser.
Sources :

A terrestrial planet candidate in a temperate orbit around Proxima Centauri
Guillem Anglada-Escudé et al.
Nature 536, 437–440 (25 August 2016)
Earth-sized planet around nearby star is astronomy dream come true
Alexandra Witze
Nature 536, 381–382 (25 August 2016)
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L’art de cristalliser

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Cela devient une habitude: ce billet accompagne la publication d’une nouvelle vidéo du Dr Nozman, fruit d’une collaboration avec votre serviteur mais surtout Karim Madjer de l’excellentissime blog Sweet Random Science.
Alors quand je dis collaboration, il faut savoir qu’hormis la mise à disposition du matériel d’observation, l’étendue de ma… Lire L’art de cristalliser Continue reading

La sélection cérébrale de la semaine (numéro 108)

Voici ma sélection des articles publiés la semaine du 15 au 22 août 2016 dans le domaine des neurosciences. Si la perception du temps qui s’écoule varie au cours de la vie, cela serait à la fois dû à une cause biologique, mais aussi mathématique. Une équipe de recherche américaine a réussi à identifier la connexion anatomique reliant certaines régions cérébrales aux glandes surrénales. Cette voie anatomique relierait le cerveau aux glandes sécrétant plusieurs hormones notamment impliquées dans le stress. Cette connexion pourrait être l’un … Continuer la lecture de La sélection cérébrale de la semaine (numéro 108)
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La sélection cérébrale de la semaine (numéro 107)

Voici ma sélection des articles publiés la semaine du 8 au 15 août 2016 dans le domaine des neurosciences. Selon une étude récente, consommer une faible dose de sucre pourrait avoir une action anti-stress en jouant notamment sur la concentration d’une hormone bien souvent diabolisée, le cortisol. Mais attention à la surconsommation de sucre et de graisse, car selon une autre étude, le surpoids serait corrélé avec une accélération du vieillissement cérébral. Il faut toutefois être prudent avec ce type d’étude et ne pas faire … Continuer la lecture de La sélection cérébrale de la semaine (numéro 107)
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La sélection cérébrale de la semaine (numéro 106)

Voici ma sélection des articles publiés la semaine du 1 au 8 août 2016 dans le domaine des neurosciences. S’il est impossible de se remémorer des souvenirs de sa petite enfance, c’est en grande partie car à cet âge le cerveau et plus particulièrement la structure clé de la mémoire, nommé l’hippocampe, est immature. Malgré ce que certains pourraient croire, l’hypnose n’est pas une duperie de spectacle. Cette technique permettant d’accéder à un état de conscience différent de l’éveil ou du sommeil. Une étude utilisant … Continuer la lecture de La sélection cérébrale de la semaine (numéro 106)
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