Métrologie de l'atome d'hydrogène pour la détermination de la distribution de charge du proton – PROCADIS

Le but de ce projet est une nouvelle détermination du rayon Rp de la distribution de charge du proton. Actuellement, Rp est mesuré par la diffusion élastique électron-proton, par la spectroscopie de l'atome d'hydrogène et, très récemment, par celle de l'atome d'hydrogène muonique. Cette dernière mesure donne une valeur très précise de Rp, mais en fort désaccord (plus de 4 sigma) avec les précédentes mesures. Le but du projet PROCADIS est de mesurer de nouvelles fréquences de l’hydrogène pour clarifier la situation entre les résultats expérimentaux et les calculs d'électrodynamique quantique (QED) dans les systèmes hydrogénoïdes.

La première mesure du rayon du proton a été obtenue par diffusion élastique électron-proton : Rp est obtenu avec une incertitude relative de 2%, limitée par la difficulté de l'analyse des résultats.

La détermination de Rp à partir des mesures de fréquences de l’hydrogène utilise le fait que la taille finie du proton modifie légèrement le potentiel coulombien, d’où une modification de l’énergie des niveaux, principalement pour les états S pour lesquels la probabilité de présence de l’électron dans le noyau est non nulle. Cet effet contribue au déplacement de Lamb des niveaux S. Expérimentalement, plusieurs fréquences optiques de l’atome d’hydrogène sont maintenant connues avec une précision relative meilleure que 10-11. Du coté théorique, il y a eu aussi des progrès majeurs ces 15 dernières années dans les calculs QED du déplacement de Lamb. Il est donc maintenant possible d’extraire de la comparaison théorie expérience une valeur de Rp avec une précision de l'ordre de 1%, qui est en accord avec celle déduite de la diffusion électron-proton.

Une troisième méthode de mesure de Rp utilise l’atome d'hydrogène muonique (un atome formé avec un proton et un muon, µ-p). Le muon étant 207 fois plus lourd que l’électron, la taille des orbites du muon autour du proton est réduite par le même facteur. Dans ces conditions, le déplacement des niveaux d’énergie dû à la taille finie du proton est beaucoup plus grand que dans l’hydrogène électronique. Cette expérience est faite à l’Institut Paul Scherrer (PSI) dans le cadre d’une large collaboration internationale, incluant l’équipe de T.W. Hänsch à Munich et notre groupe à Paris. Cette expérience a donné en juillet 2009 une valeur très précise de Rp (incertitude d’environ 0,2%), en désaccord de plus de 4 sigma avec la valeur déduite de la spectroscopie de l’hydrogène.

Ce désaccord peut résulter des calculs QED dans l’hydrogène normal ou l’hydrogène muonique, ou bien des mesures des fréquences de l’hydrogène. Le but du projet PROCADIS est la mesure des transitions 1S-3S et 1S-4S de l'hydrogène. Ces deux transitions ne sont pas utilisées dans la détermination actuelle de Rp. Ces nouvelles données permettront donc de clarifier les résultats déduits de l'hydrogène et d'en améliorer la précision.

Dans l’hydrogène, la détermination de Rp utilise la comparaison de deux fréquences : la transition 1S-2S et les transitions 2S-nS/D (n=8, 12) qui ont été mesurées dans notre groupe. Ces dernières mesures étant limitées par d'importants déplacements lumineux, nous étudions la transition 1S-3S qui peut être observée avec un déplacement lumineux négligeable. Malheureusement, l'expérience est limitée par la faible intensité de la source UV à 205 nm utilisée pour cette transition. Dans ce projet, nous prévoyons de construire une nouvelle source UV à 205 nm basée sur la somme des fréquences d’une source commerciale à 266 nm et d’un laser titane saphir à 896 nm. Ce schéma doit permettre d’accroître la puissance UV d'un facteur 10 et d’améliorer significativement le signal sur bruit des spectres 1S-3S. Le but est la mesure de la fréquence 1S-3S avec une incertitude de 1 kHz, ce qui correspond à une incertitude de 0,6% sur Rp. De plus, avec ce nouveau schéma, il est possible d’exciter la transition 1S-4S à 194 nm et d’obtenir de nouvelles données pour déterminer Rp.