C'est un record : la constante de structure fine a été calculée avec 11 chiffres significatifs

Une équipe de chercheurs français vient de calculer avec une précision inédite la constante de structure fine, associée à l’interaction électromagnétique. Une donnée précieuse qui pourrait déboucher sur la découverte de nouvelles particules et une remise en cause du modèle standard.

Elle vaut 1/alpha=137,035999206. La constante de structure fine, qui correspond à ce "alpha", est l’une des constantes fondamentales de la physique. Elle vient d’être déterminée avec 11 chiffres significatifs, améliorant d’un facteur 1000 la dernière mesure en date. Ce résultat, publié le 2 décembre 2020 dans la revue Nature, a été obtenu par une équipe française regroupant le laboratoire Kastler Brossel (CNRS/Sorbonne Université/ENS Paris/Collège de France) et le Conservatoire national des arts et métiers (CNAM). Sciences et Avenir a pu interroger la physicienne Saïda Guellati-Khélifa, du CNAM :

Sciences et Avenir : Que représente la constante de structure fine en physique ? Elle est associée à l’interaction électromagnétique, qui est à l’origine de tous les phénomènes électriques et magnétiques. La constante de structure fine est impliquée dans la cohésion des atomes, entre les noyaux positifs, et les électrons négatifs. On peut aussi la voir comme une passerelle entre les particules chargées et les photons, qui constituent la lumière. Elle traduit notamment l’interaction entre le champ électromagnétique des photons et les particules chargées. En quoi est-il important de la connaître avec autant de précision ?

Elle permet de tester les prédictions du modèle standard de la physique des particules, et éventuellement de pointer la possibilité de l’existence d’une nouvelle physique, au-delà du modèle standard. Et cela grâce à l’anomalie du moment magnétique de l’électron. Ce moment magnétique traduit la capacité de la particule à s’aligner sur des lignes de champ magnétique, comme le ferait l’aiguille d’une boussole. Vous pouvez mesurer ce moment magnétique expérimentalement. Vous pouvez aussi le calculer théoriquement, avec la constante de structure fine. Pour des raisons complexes, un désaccord entre les deux valeurs pourrait être le signe de l’existence d’une nouvelle particule. Mais pour être sûr qu’il y a vraiment désaccord, il faut une constante de structure fine la plus précise possible.

"Un peu comme mesurer l’épaisseur d’une feuille avec un pied à coulisse" Quel est le principe de la mesure ? La constante de structure fine se déduit de la masse de l’électron. Or, cette masse n’est pas mesurable directement. On ne connaît que le rapport de masse entre l’électron et celle d’un atome. Nous avons travaillé sur l’isotope 87 du rubidium. Nous avons déterminé sa masse à partir de sa vitesse de recul. Intuitivement, on comprend bien que cette vitesse dépend directement de la masse : il est plus difficile de faire reculer un gros atome qu’un petit. Ce recul est observé lorsqu’il absorbe un photon.

On va donc mesurer le plus précisément possible cette vitesse de recul, déduire la masse de l’atome, et remonter ainsi à la constante de structure fine. Dans le cas du rubidium 87, cette vitesse vaut 6 mm/s.

Source : https://www.sciencesetavenir.fr/fondamental/la-constante-de-structure-fine-calculee-avec-onze-chiffres-significatifs_149685