L'atome d'hydrogène mesuré au milliardième de milliardième express
L'atome d'hydrogène est comme une minuscule horloge qui tique avec une précision dont les ingénieurs ne peuvent que rêver. Lorsqu'un électron saute entre ses orbites, il absorbe ou émet de la lumière à une fréquence strictement définie – c'est le « tic ». Dans ces nouveaux travaux, les physiciens ont capté l'une de ces transitions – entre les états 2S et 6P – et ont mesuré sa fréquence avec une incertitude inférieure à un milliardième de pour cent. Le nombre obtenu : 730 690 248 610,79 kilohertz, avec une erreur de seulement 0,48 kilohertz. Pour comparaison : si l'on mesurait la distance de Moscou à Vladivostok avec la même précision, l'erreur serait inférieure à l'épaisseur d'un cheveu humain.
Cette mesure a permis de calculer le rayon du proton, la particule autour de laquelle tourne l'électron. Auparavant, différentes méthodes donnaient des résultats légèrement différents, comme si deux thermomètres indiquaient des températures différentes dans la même pièce. La nouvelle valeur – 0,8406 femtomètre (un femtomètre est un millionième de nanomètre) – coïncide avec les données les plus précises obtenues sur l'hydrogène muonique, où l'électron est remplacé par son « cousin » plus lourd, le muon. L'énigme de l'écart qui a tourmenté les physiciens pendant une décennie semble résolue.
Mais le résultat principal n'est pas la taille du proton en soi, mais la vérification de l'électrodynamique quantique (QED), la théorie qui décrit comment la lumière interagit avec la matière. La QED est l'une des théories les plus précises de l'histoire des sciences, mais elle doit constamment être mise à l'épreuve. La nouvelle expérience a confirmé les prédictions de la QED avec une précision de 0,5 millionième pour les corrections complexes liées à l'état lié de l'électron. C'est comme vérifier le fonctionnement d'un mécanisme d'horlogerie en le démontant jusqu'au moindre rouage et en s'assurant que tout tourne sans accroc.
Si l'on agrandissait l'atome d'hydrogène à la taille d'un terrain de football, le proton serait de la taille d'un grain de sable en son centre, et l'électron serait plus petit qu'une poussière volant au-dessus des tribunes.
Les mesures ultra-précises des transitions atomiques sont à la base des technologies du futur : des ordinateurs quantiques à la navigation dans l'espace lointain sans communication avec la Terre.