Des physiciens effectuent une mesure record d’une propriété clé des électrons

Depuis les premiers instants de notre univers, d’innombrables protons, neutrons et électrons se sont formés aux côtés de leurs antimatières. Alors que l’univers s’étendait et se refroidissait, presque toutes ces particules de matière et d’antimatière se rencontraient et s’annihilaient, ne laissant que des photons ou des flashes de lumière sur leur sillage

Et si l’univers était parfaitement symétrique, avec des quantités égales de matière et d’antimatière, ce serait la fin de l’histoire – et nous n’aurions jamais existé. Mais il devait y avoir un déséquilibre – quelques protons, neutrons et électrons supplémentaires – qui ont formé des atomes, des molécules, des étoiles, des planètes, des galaxies et finalement, des gens.

« Si l’univers avait été parfaitement symétrique, il ne resterait plus que de la lumière. C’est un moment extrêmement important dans l’histoire. Soudain, il y a de la matière dans l’univers, et la question est : pourquoi ? » a déclaré Eric Cornell, chercheur NIST/JILA. « Pourquoi avons-nous cette asymétrie ? »

Théories mathématiques à l’épreuve de la réalité

Les théories mathématiques et les équations qui expliquent notre univers exigent une symétrie. Les théoriciens des particules ont affiné ces théories pour s’attaquer à la présence d’asymétrie. Mais sans preuve, ces théories ne sont que des mathématiques, explique Eric Cornell, de sorte que les physiciens expérimentateurs, dont son groupe au JILA, ont cherché des signes d’asymétrie dans les particules fondamentales telles que les électrons.

Le groupe JILA a effectué une mesure record des électrons, réduisant la recherche de l’origine de cette asymétrie. Ses conclusions ont été publiées dans Science.

Un endroit où chercher des preuves d’asymétrie est dans le moment dipolaire électrique (eEDM) de l’électron. Les électrons sont constitués de charge électrique négative, et l’eEDM indique à quel point cette charge est uniformément répartie entre le pôle nord et le pôle sud de l’électron. Toute mesure d’eEDM supérieure à zéro confirmerait une asymétrie; l’électron serait plus ovale que circulaire. Mais personne ne sait à quel point cette déviation peut être petite.

« Nous devons corriger nos mathématiques pour qu’elles se rapprochent davantage de la réalité », a déclaré Tanya Roussy, étudiante diplômée du groupe de recherche au JILA. « Nous cherchons des endroits où cette asymétrie pourrait se trouver, afin de comprendre d’où elle vient. Les électrons sont des particules fondamentales, et leur symétrie nous dit quelque chose sur la symétrie de l’univers. »

Cornell, Roussy et leur équipe du NIST et du JILA ont récemment établi un record de précision dans la mesure de l’eEDM, améliorant les mesures précédentes d’un facteur de 2,4.

Quelle est la précision de cette mesure ?

Si un électron avait la taille de la Terre, leur étude a trouvé que toute asymétrie existante serait plus petite que le rayon d’un atome, a expliqué Tanya Roussy. Faire une mesure aussi précise est incroyablement difficile, ajoute-t-elle, de sorte que le groupe se devait d’être ingénieux.

Les chercheurs ont examiné les molécules de fluorure d’hafnium. S’ils appliquaient un fort champ électrique aux molécules, des électrons non ronds voudraient s’aligner sur le champ, se déplaçant à l’intérieur de la molécule. S’ils étaient ronds, alors les électrons ne bougeraient pas.

En utilisant un laser ultraviolet, ils ont arraché des électrons aux molécules, formant un ensemble d’ions chargés positivement, et les ont piégés. En alternant le champ électromagnétique autour du piège, les molécules étaient forcées de s’aligner ou de ne pas s’aligner sur le champ. Puis les chercheurs ont utilisé des lasers pour mesurer les niveaux d’énergie des deux groupes. Si les niveaux étaient différents entre eux, cela indiquerait que les électrons étaient asymétriques.

Leur expérience leur a permis d’avoir des temps de mesure plus longs que les tentatives précédentes, ce qui leur a donné une plus grande sensibilité. Cependant, les mesures du groupe ont montré que les électrons ne changeaient pas de niveaux d’énergie, ce qui indique qu’autant que nous puissions actuellement mesurer, les électrons sont ronds.

En synthèse

Il n’y a aucune garantie que quiconque trouve une mesure non nulle de l’eEDM, souligne Eric Cornell, mais ce niveau de précision avec une expérience de table est une réussite. Cela montre que les accélérateurs de particules coûteux ne sont pas les seuls moyens d’explorer ces questions fondamentales sur l’univers, et qu’il y a beaucoup de pistes à essayer. Et bien que le groupe n’ait pas trouvé d’asymétrie, son résultat aidera le domaine à continuer à chercher des réponses à l’asymétrie de l’univers primordial.

Pour une meilleure compréhension

Quelle était l’hypothèse de départ des chercheurs ? L’hypothèse de départ des chercheurs était que, si l’univers était parfaitement symétrique, il ne devrait pas y avoir d’asymétrie entre la matière et l’antimatière au moment du Big Bang. Cependant, ils ont supposé qu’il devait y avoir un déséquilibre pour expliquer l’existence de protons, de neutrons et d’électrons afin de former des atomes.

Pourquoi ont-ils choisi de mesurer le moment dipolaire électrique (eEDM) de l’électron ? Le moment dipolaire électrique de l’électron indique comment la charge électrique est répartie entre son pôle nord et son pôle sud. Toute mesure d’eEDM supérieure à zéro indique une asymétrie dans la forme de l’électron. Les chercheurs ont donc choisi de mesurer l’eEDM pour détecter une éventuelle asymétrie dans la distribution de charge de l’électron.

Que montre leur mesure record de l’eEDM ? Leur mesure record de l’eEDM indique que, jusqu’à leur niveau de précision, les électrons semblent être symétriques. Autrement dit, ils n’ont pas détecté d’asymétrie dans la forme ou la charge de l’électron.

Pourquoi ce résultat est-il important ? Ce résultat apporte des éclaircissements sur l’asymétrie fondamentale entre matière et antimatière dans l’univers primordial. Bien que leur mesure n’ait pas détecté d’asymétrie dans l’électron, elle améliore la précision des mesures précédentes d’un facteur de 2,4. Cette amélioration de la précision aide la communauté scientifique à affiner leurs théories sur l’asymétrie matière-antimatière et à identifier de nouvelles pistes de recherche.

Quelle est la prochaine étape pour cette recherche ? La prochaine étape consiste à poursuivre l’amélioration de la précision des mesures de l’eEDM pour voir si une asymétrie peut finalement être détectée. Les chercheurs doivent également explorer d’autres pistes pour trouver des preuves de l’asymétrie matière-antimatière, par exemple en étudiant d’autres particules fondamentales ou processus physiques. La poursuite de cette quête fondamentale requiert la collaboration de nombreux scientifiques à travers le monde.

Article : Tanya S. Roussy, Luke Caldwell, Trevor Wright, William B. Cairncross, Yuval Shagam, Kia Boon Ng, Noah Schlossberger, Sun Yool Park, Anzhou Wang, Jun Ye et Eric A. Cornell. A new bound on the electron’s electric dipole moment. Science. Publié en ligne le 6 juillet 2023. DOI : 10.1126/science.adg4084

Légende illustration image principale : Les électrons sont constitués d’une charge électrique négative, et les scientifiques du JILA ont essayé de mesurer la répartition de cette charge entre les pôles nord et sud de l’électron. Toute irrégularité indiquerait que l’électron n’est pas parfaitement rond, ce qui serait la preuve d’une asymétrie dans l’univers primitif ayant conduit à l’existence de la matière. Le groupe Cornell du JILA a étudié le comportement des électrons dans les molécules lorsqu’il a ajusté le champ magnétique autour d’elles afin de détecter tout déplacement des électrons. Credit: JILA/Steven Burrows