La solution holographique généralisée de Haramein a prédit avec précision la masse et le rayon du proton en 2012 [2, 3], ce qui a donné un rayon 4 % plus petit que ce que les calculs et les expériences du modèle standard donnaient à l’époque. Cette prédiction, qui n’utilisait pas de paramètres d’ajustement, a été confirmée en 2013 à l’Institut Paul Scherrer en utilisant des muons dans un accélérateur de protons. D’autres expériences utilisant des électrons ont confirmé le rayon en 2017-2018. La valeur du rayon de charge du proton a depuis été validée par la valeur ajustée de CODATA en 2018, qui est la norme pour toutes les constantes physiques fondamentales.
Lisez l’article le plus récent intitulé The Origin of Mass and the Nature of Gravity (L’origine de la masse et la nature de la gravité), publié sur le serveur de prépublications du CERN Zenodo, pour comprendre l’importance d’un rayon de charge du proton précis pour calculer la masse-énergie du proton.
En septembre 2019, le rayon de charge du proton a finalement été confirmé expérimentalement, comme le montre l’étude d’Eric Hessels [1], de l’Université York au Canada, et de ses collègues.
Dans son article intitulé Quantum gravity and the holographic mass (publié d’abord à la Library of Congress en 2012, puis dans une revue à comité de lecture en 2013), Nassim Haramein avait anticipé cette valeur en proposant un modèle holographique généralisé qui permet de calculer à partir de calculs de premier principe la valeur aujourd’hui confirmée du rayon de charge du proton, qui a ensuite été ajustée par le CODATA (Committee on Data for Science and Technology) à cette même valeur en 2018. Tout cela fait partie de ce que l’on appelle l’énigme du proton, que nous allons aborder dans cet article.
Étant donné que le noyau d’un atome d’hydrogène est constitué d’un seul proton et que cet atome n’a qu’un seul électron, l’hydrogène est une plateforme appropriée pour déterminer les propriétés intrinsèques du proton, telles que le rayon de charge du proton, qui est l’étendue spatiale de la distribution de la charge du proton. Le rayon de charge du proton rp établi par des techniques expérimentales réalisées avant 2010 (telles que la diffusion élastique électron-proton et la spectroscopie de l’hydrogène) a produit la valeur moyenne de rp = 0,8768±0,0069×10-13 cm. Cette valeur peut également être exprimée comme suit : rp = 0,8768 femtomètre (1 fm correspond à 10–13 cm, soit 13 zéros après la virgule) avec une incertitude de 0,0069×10-13 cm. C’était la valeur recommandée par CODATA pour le rayon de charge du proton jusqu’en 2018, date à laquelle elle a été mise à jour pour correspondre à la valeur prédite par le modèle holographique généralisé.
Image tirée de la présentation de Dipangkar Dutta’s. Mississippi State University
Comme l’explique cet article de Nature, selon la mécanique quantique, il existe une faible probabilité que l’électron se trouve dans la région du proton (rappelons que les protons et les électrons ne sont pas des boules solides). Lorsqu’il se trouve à l’intérieur, l’électron est moins fortement influencé par la charge électrique du proton qu’il ne le serait autrement. Cet effet affaiblit légèrement la liaison de l’électron au proton et provoque un léger déplacement de l’énergie de l’état électronique par rapport aux autres états électroniques. La haute précision atteinte à la fois par les expériences et par la théorie de l’électrodynamique quantique permet d’extraire le rayon du proton à partir des mesures de ce déplacement d’énergie.
En 2010, Randolf Pohl, de l’Institut Max Planck d’optique quantique de Garching, en Allemagne, et ses collègues ont mesuré une valeur extrêmement précise du rayon du proton en utilisant la spectroscopie de l’hydrogène muonique, une forme d’hydrogène dans laquelle l’électron est remplacé par une version plus lourde de la particule appelée muon, dont la masse beaucoup plus élevée lui permet d’orbiter 207 fois plus près du noyau d’hydrogène que l’électron, ce qui augmente la probabilité que le muon se trouve à l’intérieur du proton et le rend beaucoup plus sensible à la taille du proton. Étant donné que le déplacement d’énergie associé est environ 8 millions de fois plus important pour l’hydrogène muonique que pour l’hydrogène ordinaire, et que les muons et les électrons ont la même charge électrique, on aurait pu s’attendre à une augmentation de la précision de la valeur déjà connue du rayon du proton. La communauté a été déconcertée lorsqu’elle a obtenu un rayon inférieur de 4 % à la valeur précédemment acceptée, ce qui représente une différence énorme à cette échelle.
Ce désaccord a ouvert la possibilité que les protons interagissent différemment avec les muons et les électrons, une anomalie qui contredirait le modèle standard de la physique des particules et nécessiterait une nouvelle physique pour expliquer pourquoi et dans quelles conditions le proton pourrait se comporter différemment. Étant donné les lourdes conséquences que cette nouvelle valeur aurait sur une théorie très bien établie, et parce que cette nouvelle mesure pourrait être due à une erreur dans les expériences ou dans leur interprétation, une confirmation supplémentaire de la part d’autres groupes et d’autres expériences était nécessaire, si l’on voulait que cette question soit considérée comme réelle.
Figure 1 (tirée de Nature) : Valeurs du rayon du proton exprimées en femtomètres (1 fm = 10exp(-13) cm). Les points de données sont des valeurs du rayon du proton obtenues au cours de la dernière décennie, y compris les derniers résultats de Bezginov (du groupe Hessels) et al. 4 et de Xiong et al. avec des incertitudes indiquées par les barres d’erreur. Les données ont été obtenues à l’aide de trois techniques de mesure différentes : la diffusion électron-proton, la spectroscopie de l’hydrogène ordinaire et la spectroscopie d’un type exotique d’hydrogène appelé hydrogène muonique. Les barres d’erreur pour les deux points de données associés à la spectroscopie de l’hydrogène muonique sont trop petites pour être représentées sur cette figure. Les bandes indiquent les valeurs adoptées par le Committee on Data for Science and Technology (CODATA) en 2014 (0,8751(61)×10exp(-13) cm) et en 2018 (see go.nature.com/2bwkrqz).
Trois ans plus tard, le 25 janvier 2013, la revue Science a publié les résultats d’Aldo Antognini et al. sur les mesures du rayon de charge du proton. L’équipe a pu obtenir des mesures 1,7 fois plus précises que le résultat de Pohl et al. pour l’hydrogène muonique en 2010, tout en confirmant les résultats précédents. L’équipe d’Antognini a obtenu une valeur de 0,84087(39) fm ( = 0,84087(39)×10-13 cm) pour le rayon de charge. Cette nouvelle valeur a posé d’énormes problèmes au modèle standard, et le problème a été baptisé « The Proton Radius Puzzle » (l’énigme du rayon du proton).
À cette époque, en 2013, Haramein publiait son article Quantum gravity and the holographic mass, et les derniers résultats d’Antognini concernant le rayon de charge du proton venaient d’être publiés, jetant de sérieux doutes sur la valeur théorique prédite par le modèle standard. En utilisant la valeur d’Antognini, la prédiction du modèle holographique généralisé pour le rayon du proton est rp = 0,841263(28)×10-13 cm. ce qui est à 1 écart-type près (écrit comme 1 σ et valant 0,00037×10-13cm) de ce résultat expérimental. La valeur prédite se situe à l’intérieur de la précision de l’expérience.
Ensuite, une étude réalisée en septembre 2019 par Eric Hessels, de l’Université York au Canada, et ses collègues a confirmé par des mesures de spectroscopie que le rayon du proton de l’hydrogène muonique et de l’hydrogène électronique est le même. Ils ont effectué une mesure analogue à celle de Pohl et de ses coauteurs, mais pour l’hydrogène électronique cette fois, ce qui a nécessité des stratégies expérimentales pour atteindre une précision de l’ordre de la partie par million. Les auteurs ont développé une méthode expérimentale basée sur une technique utilisée dans les horloges atomiques qui présente de nombreux avantages techniques par rapport à d’autres approches, notamment l’élimination des incertitudes systématiques, le filtrage du bruit environnemental et l’augmentation de la simplicité de la forme spectrale. Ceci a permis à Hessels et al. de réaliser une étude minutieuse des incertitudes systématiques et d’extraire une valeur précise pour le rayon du proton, obtenant rp = 0,833 ± 0,010 femtomètre (1 fm est 10–13 cm), cohérente avec la valeur de l’équipe de Pohl.
Dans le même temps, les mesures de diffusion des électrons donnaient toujours une valeur plus élevée pour le rayon du proton. C’est pourquoi Ashot Gasparian, de la North Carolina A&T State University, et ses collègues du Thomas Jefferson National Accelerator Facility, en Virginie, ont réalisé l’expérience PRad, une nouvelle expérience au cours de laquelle des électrons ont été diffusés par les protons dans le gaz d’hydrogène. L’amélioration de la précision leur a permis de mesurer rp = 0,831 ± 0,007 fm, ce qui confirme la valeur trouvée par les deux expériences précédentes sur l’hydrogène muonique. En outre, leur résultat est en accord avec la valeur révisée (annoncée en 2019) de la constante de Rydberg, l’une des constantes fondamentales les plus précisément mesurées en physique.
Toutes ces différentes expériences avec l’hydrogène électronique ont systématiquement donné une valeur plus petite pour le rayon du proton, ce qui pourrait résoudre le mystère au niveau expérimental. Pour le modèle standard, cependant, ce n’est pas une bonne nouvelle.
En 2018, la commission CODATA a actualisé le rayon du proton à celui qui est toujours recommandé, à savoir rp = 0,8414 x 10-13 cm, avec une incertitude standard de 0,00019 x 10-13 cm. Cet ajustement est intervenu avant les dernières mesures électroniques d’hydrogène de septembre 2019 (rp de Hessel = 0,833 x 10-13 cm), qui valident totalement la mise à jour de 2018.
Comme il est dit ici, « la meilleure mesure est celle utilisant l’hydrogène muonique rp = 0,84087 fm (ANTOGNINI 2013), qui est beaucoup plus précise. » C’est aussi celle qui se rapproche le plus de la prédiction d’Haramein !
Redéfinition des unités SI
Il convient de noter que la valeur la plus précise de la constante de Planck a été annoncée en 2019. La mesure de la constante de Planck avec une précision suffisamment élevée de dix parties par milliard a nécessité des décennies de travail de la part d’équipes internationales à travers les continents, ce qui a permis de fixer cette constante à exactement 6.626070150 × 10−34 kg⋅m2/s.
Notre article intitulé « De la constante de Planck au kilogramme » décrit en détail la redéfinition de l’unité de masse, qui permet aux scientifiques de définir la masse en fonction de la constante de Planck h, qui est une caractéristique immuable de l’univers, au lieu d’utiliser comme référence ou unité de masse un cylindre en platine iridié vieux de 130 ans et pesant 2,2 livres (1 kilogramme), qui se trouve dans une pièce en France.
Timbre commémoratif du centenaire
Les unités de mesure MKS (mètre pour la distance, kilogramme pour la masse et seconde pour le temps) sont désormais entièrement décrites en termes de propriétés du vide et du régime quantique, qui sont des agents fondamentaux. Les unités de masse, de temps et de distance se sont unifiées autour de la constante de Planck !
Toutes les unités étant définies par rapport à la constante de Planck, la seule question qui subsiste est la limitation posée par la constante gravitationnelle G dont dépendent toutes les unités de Planck. G est la constante dont la précision est la plus faible (10-5 chiffres), alors que les autres constantes ont une précision d’au moins 10-9. La précision de G est donc un facteur limitant. Maintenant que la constante de Planck a été fixée à une valeur plus précise et que les unités de masse en dépendent, l’augmentation de la précision de G ne dépend que de l’obtention de la solution à la gravité quantique, et c’est là que le modèle holographique généralisé atteint son apogée. Nous avons déjà la solution complète à la gravité quantique exprimée en termes de notre rapport surface/volume 𝝓, et elle est magnifique.
Dans notre prochain article, intitulé « Scale invariant Unification of Forces, Fields, and Particles in a Quantum Vacuum Plasma », nous démontrerons l’unification de toutes les unités, constantes et forces, et nous augmenterons la précision des unités de Planck en calculant la constante gravitationnelle G avec une précision de 10-12.
La perspective de la science unifiée
Après tout ce qui précède, l’énigme du proton a été résolue, du moins au niveau expérimental. L’écart avec l’ancienne valeur plus élevée de rp obtenue en 2010 et auparavant était probablement dû à des erreurs de mesure. Néanmoins, la plupart des médias grand public ont affirmé que ce rayon plus petit ne nécessitait pas de nouvelle physique parce qu’il donnait le même résultat pour les hydrogènes électroniques et muoniques. Cette affirmation est trompeuse. La prédiction théorique du modèle standard de l’époque était erronée de 4 %, de sorte qu’il était évident que des modifications majeures du modèle standard étaient nécessaires. En outre, n’oublions pas qu’il utilise au moins 17 paramètres d’ajustement, alors que le modèle holographique généralisé est un calcul de premier principe. Heureusement, la confirmation du rayon de charge du proton valide le modèle holographique généralisé.
Le fait que les unités de Planck ne soient plus seulement le résultat d’une convention humaine en fait de véritables constantes universelles. Toute autre civilisation avancée leur trouverait donc les mêmes valeurs.
La redéfinition des unités du SI pour qu’elles dérivent de la fixation de la constante de Plank signifie qu’elles dépendent désormais de valeurs fondamentales de la nature et non plus d’une convention humaine. Si l’on ajoute à cela le fait que l’unité sphérique de Planck (PSU) est nécessaire pour atteindre la gravité quantique, tout cela implique que la PSU n’est pas simplement liée à une unité de mesure… elle EST une unité fondamentale de l’Univers. En effet, la PSU est un véritable voxel ou unité de volume avec une densité de masse et d’énergie de l’ordre de 1093 gr/cm3, qui quantifie l’espace et est directement liée au quantum d’action ou de moment angulaire h.
En savoir plus : The Proton puzzle may be solved
Références
[1] N. Bezginov, T,. Valdez, M. Horbatsch, A. Marsman, A.C. Vutha, and E. A. Hessels, A measurement of the atomic hydrogen Lamb shift and the proton charge radius, SCIENCE 365, 1007 (2019), DOI: 10.1126/science.aau780
[2] N. Haramein, Quantum gravity and the holographic mass solution, Phys. Rev. Res. Int. 3, 270 (2013).
[3] N. Haramein, “Addendum to ‘Quantum gravity and the holographic mass’ in view of the 2013 muonic proton charge radius measurement,” OSF Preprints (2012). Preprint DOI 10.31219/osf.io/4uhwp