Les noyaux des atomes sont constitués de protons et de neutrons. Autour de ces noyaux, gravitent les électrons. Protons, neutrons et électrons constituent pratiquement toute la matière terrestre. L’électron est considéré comme une particule « sans taille ». Le proton qui est constitué de quarks est un objet étendu, il a des dimensions.
Jusqu’à présent les mesures du rayon du proton ont été réalisées entre étudiant les interactions entre un proton et un électron. A partir des connaissances possédées sur un élément, l’étude des interactions permettait de déduire des informations sur l’autre élément.
Les études se sont intéressées aux collisions entre un électron et un proton. Elles se sont intéressées à l’atome d’hydrogène, le plus simple de nature puisqu’il est constitué d’un électron et d’un proton. La valeur obtenue est de 0,877 femtomètre(à +/- 0,007). Un femtomètre (fm) est égale à 10 puissance moins 15 mètre. Le femtomètre est l’unité utilisée pour mesurer le diamètre d’un noyau atomique, qui peut aller jusqu’à 6 fm.

Pour être précis, les physiciens ont utilisé de «l’hydrogène muonique » où l’électron est remplacé par un muon. Chargé négativement le muon est 200 fois plus lourd que l’électron. Il doit donc, selon les lois de la physique quantique, évoluer 200 fois plus près du proton que ne le fait l’électron dans l’hydrogène «normal ». Le muon est « beaucoup plus sensible » à la taille du proton qu’un électron.
Son énergie de liaison à l’atome auquel il appartient dépend donc fortement de la taille du proton. La mesure de cette énergie permet de déterminer le rayon du proton avec une précision de 0,1 % de précision, alors que la précision était de 1% avec l’électron.
Pour mesurer la distance entre le muon et le proton, les chercheurs ont utilisé un laser infra-rouge capable de mesurer rapidement la mesure sur l’hydrogène muonique : un muon se désintègre en effet en 2 millionièmes de secondes. Le tir laser doit être déclenché en environ 1 millionième de seconde.
Après plusieurs séries de mesures menées à l’accélérateur de l’Institut Paul Scherrer PSI en Suisse, les chercheurs ont obtenu une valeur inattendue la valeur inattendue de 0,8418 femtomètre (à +/- 0,0007), au lieu de 0,877 femtomètre pour les mesures utilisant des électrons.
Cette différence pourrait remettre en cause la théorie la plus précisément testée de la physique à savoir la théorie de l’électrodynamique quantique qui est l’une des clés de voûte de la physique actuelle. Autre possibilité, la valeur actuelle de la constante de Rydberg, aujourd’hui la constante physique déterminée avec le plus de précision, pourrait être révisée. Les chercheurs envisagent de reproduire prochainement cette expérience avec de l’hélium muonique (à la place de l’hydrogène). Ce projet est le fruit d’une coopération entre 32 scientifiques émanant de différentes institutions de plusieurs pays. Parmi les contributions les plus importantes, figurent :
– le Laboratoire Kastler Brossel (ENS Paris/ UPMC/CNRS) en France,
– l’Institut Max-Planck d’optique quantique en Allemagne,
– l’Institut Paul Scherrer PSI, l’Institut de physique des particules de l’École polytechnique fédérale de Zurich et le département de physique de l’université de Fribourg en Suisse,
– le département de physique de l’université de Coimbra au Portugal,
– l’Institut d’outils de rayonnement de l’université de Stuttgart et Dausinger & Giesen GmbH en Allemagne.