Schéma conceptuel montrant les atomes muoniques et les effets de l’électrodynamique quantique (QED). Crédit : RIKEN
Une équipe internationale de chercheurs, dont des membres de l’Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l’univers (Kavli IPMU), a réussi une expérience de démonstration de principe pour vérifier l’électrodynamique quantique à champ fort dans les atomes exotiques, selon une étude récente publiée dans Physical Review Letters. Cette prouesse a été réalisée grâce à une mesure de haute précision du spectre énergétique des rayons X caractéristiques muoniques émis par les atomes muoniques à l’aide d’un détecteur de rayons X sophistiqué.
Cette expérience réussie marque une avancée cruciale dans la vérification de lois physiques essentielles dans le contexte de champs électriques intenses, un domaine qui n’a pas encore été généré artificiellement par l’homme. La méthode extrêmement précise et efficace de détermination de l’énergie des rayons X, démontrée dans cette étude à l’aide d’une technologie quantique de pointe, devrait être appliquée à divers domaines de recherche, tels que les méthodes d’analyse élémentaire non destructive utilisant des atomes muoniques.
Les scientifiques ont toujours rêvé de découvrir des lois physiques. Elles ont été trouvées ou proposées pour expliquer des phénomènes observés qui ne peuvent être compris par les théories existantes.
Dans de nombreux cas, la découverte de nouvelles lois physiques nécessite le développement de nouvelles techniques expérimentales et l’amélioration de la précision des mesures. La théorie des lois physiques la plus précisément testée est l’électrodynamique quantique (EQD), qui décrit les interactions microscopiques entre les particules chargées et la lumière. Les scientifiques repoussent sans cesse les limites de cette théorie pour déterminer dans quelle mesure elle décrit avec précision notre réalité physique.
Takuma Okumura (chercheur postdoctoral au RIKEN à l’époque de la recherche, aujourd’hui professeur adjoint à l’Université métropolitaine de Tokyo), le professeur Toshiyuki Azuma (scientifique en chef au RIKEN), le Dr. Tadashi Hashimoto (chercheur principal adjoint) de l’Agence japonaise de l’énergie atomique (JAEA), le chercheur invité Hideyuki Tatsuno de l’Université métropolitaine de Tokyo, le professeur associé Shinya Yamada de l’Université Rikkyo, le professeur Paul Indelicato du Laboratoire Kastler-Brossel, le professeur Tadayuki Takahashi de Kavli IPMU, l’Université de Tokyo, Le professeur Koichiro Shimomura de l’Institute for Materials Structure Science, KEK, le professeur Shinji Okada de l’université de Chubu, ont injecté un faisceau de muons négatifs à faible vitesse provenant de l’installation J-PARC dans du gaz de néon, et l’énergie des rayons X caractéristiques émis par les atomes de néon (Ne) muoniques résultants a été mesurée avec précision à l’aide d’un détecteur supraconducteur de type Transition-Edge Sensor (TES).
En tirant pleinement parti de l’excellente résolution énergétique du détecteur TES, l’énergie des rayons X caractéristiques muoniques a été déterminée avec une incertitude absolue inférieure à 1/10 000, et les contributions de la polarisation du vide dans l’électrodynamique quantique à champ fort ont été vérifiées avec une grande précision de 5,8 %.
Le détecteur TES a été développé à l’origine pour l’observation des rayons X dans l’espace. Le projet actuel de Takahashi à l’IPMU de Kavli a consisté à mener une recherche interdisciplinaire sans précédent à l’aide de ce détecteur. Son équipe comprend le professeur adjoint du projet Kavli IPMU, Shin’ichiro Takeda, la chercheuse du projet Miho Katsuragawa et l’étudiante diplômée Kairi Mine, qui a participé aux expériences sur les muons.
La démonstration par la collaboration de la technique expérimentale utilisant des atomes muoniques devrait permettre de faire un grand pas en avant dans l’étude de la vérification de la QED sous des champs électriques intenses.
Les détails de l’étude ont été publiés en ligne (27 avril 2023, heure du Japon) avant la publication dans la revue scientifique Physical Review Letters (27 avril 2023, heure du Japon).
Sommaire
Contexte
Les effets de la DEQ sont plus prononcés dans les environnements à fort champ électrique, mais les calculs théoriques deviennent plus difficiles dans ce cas. Par conséquent, un environnement à fort champ électrique est très important pour la vérification de l’effet QED.
Pendant de nombreuses années, des expériences utilisant des ions fortement chargés (HCI), qui sont des atomes dépourvus de plusieurs électrons, ont été menées pour réaliser un environnement de champ électrique intense. Le champ électrique ressenti par les électrons liés dans les HCI devient plus fort à mesure que le numéro atomique augmente, et l’effet de blindage est supprimé par la suppression de nombreux électrons.
La recherche sur les HCI à l’aide de grands accélérateurs se poursuit vigoureusement. Cependant, même pour les HCI à grand nombre d’atomes, l’effet de la taille finie du noyau ne peut être ignoré. Il a été souligné que cet effet n’est pas connu avec précision et que, par conséquent, la précision de la vérification QED, qui compare les résultats expérimentaux à la théorie, est grandement compromise.
Méthodologie et résultats de la recherche
Pour vérifier la QED dans des champs électriques intenses d’une autre manière qu’avec les HCI, des groupes de recherche internationaux se sont concentrés sur les « atomes exotiques », dans lesquels une particule chargée négativement est liée au noyau à la place de l’électron. Parmi la variété d’atomes exotiques, les atomes muoniques sont composés de muons négatifs (particules élémentaires environ 200 fois plus lourdes que les électrons) et de noyaux. Les muons négatifs peuvent aujourd’hui être extraits sous forme de faisceaux à partir de grands accélérateurs.
Les atomes muoniques se caractérisent par l’extrême proximité entre le muon négatif et le noyau, le rayon orbital d’un muon lié étant d’environ 1/200e de celui d’un électron lié. Par conséquent, le champ électrique ressenti par le muon est environ 40 000 fois plus fort que le champ électrique ressenti par un électron lié du même niveau quantique dans un HCI, ce qui entraîne un énorme effet QED.
En outre, en utilisant des muons négatifs, qui occupent des niveaux quantiques à moment angulaire élevé avec un faible chevauchement avec le noyau, il est possible de mener des expériences dans lesquelles l’effet de la taille finie du noyau est largement supprimé. En mesurant précisément l’énergie des rayons X caractéristiques des muons émis lorsque les atomes muoniques sont désexcités d’un niveau spécifique vers des niveaux inférieurs, la QED peut être vérifiée sous un champ électrique intense (figure 1).
Schéma conceptuel montrant les atomes muoniques et les effets de l’électrodynamique quantique (QED). Dans un atome muonique, le muon négatif (-) est lié au noyau et orbite autour de lui. Selon l’électrodynamique quantique, le muon négatif lié poursuit son mouvement orbital tout en émettant et en absorbant de manière répétée des photons virtuels (auto-énergie : SE ). En outre, il existe une attraction électrostatique entre le noyau de néon (Ne10+) et le muon négatif, et les photons se propageant à travers cette interaction répètent continuellement la création et l’annihilation de paires virtuelles électron-positron (e±) (polarisation du vide : VP ). Dans cette étude, nous avons mesuré avec précision l’énergie des rayons X caractéristiques muoniques émis lorsque le muon négatif se désexcite pour atteindre un état inférieur. Crédit : Okumura et al.
Les atomes muoniques constituent donc une cible expérimentale prometteuse pour la vérification de la QED en champ fort. Cependant, plusieurs problèmes doivent être surmontés. Le plus important est qu’un certain nombre d’atomes muoniques doivent être préparés dans un environnement isolé. La présence d’atomes ou de molécules à proximité des atomes muoniques peut entraîner un transfert rapide d’électrons et modifier l’énergie des rayons X caractéristiques muoniques. La solution consiste à utiliser des cibles gazeuses diluées avec une faible densité numérique (basse pression), mais le nombre d’atomes muoniques produits et l’intensité des rayons X caractéristiques muoniques qui en résultent sont réduits.
Le groupe de recherche international a mené des expériences au Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) à Tokai-mura, Ibaraki, où se trouve le faisceau de muons à faible vitesse le plus intense au monde. Afin de déterminer l’énergie avec suffisamment de précision, même avec des rayons X caractéristiques muoniques de faible intensité, l’expérience a été menée avec un microcalorimètre supraconducteur à bord de transition (TES), qui est un détecteur de rayons X très efficace et à haute résolution.
En utilisant des atomes de néon (10Ne), un gaz rare, comme cible, ils ont obtenu une résolution énergétique supérieure d’un ordre de grandeur à celle des détecteurs semi-conducteurs conventionnels (FWHM : 5,2 eV) dans des conditions diluées de 0,1 atm et ont mesuré avec succès les rayons X caractéristiques muoniques (figure 2). Les pics affichés sont principalement dus au chevauchement des rayons X caractéristiques muoniques provenant de six transitions différentes, et l’énergie des rayons X caractéristiques muoniques a été déterminée avec une grande précision de 0,002 % en analysant les contributions de chacune d’entre elles.
Dépendance de l’énergie des rayons X caractéristiques muoniques par rapport à la pression du gaz néon et comparaison avec les derniers calculs théoriques. L’énergie des rayons X caractéristiques muoniques est tracée en fonction de la pression de la cible de gaz néon. Aucune variation de l’énergie en fonction de la pression n’a été observée dans les limites de l’erreur expérimentale, ce qui indique que les atomes muon-néon se trouvaient dans un environnement isolé. Les mesures précises de l’énergie caractéristique des rayons X muoniques sont en excellent accord avec les résultats des derniers calculs théoriques. Crédit : Okumura et al.
Ils ont répété les mesures en changeant la pression de la cible de gaz néon (figure 3) et ont confirmé que l’énergie des rayons X muoniques est constante dans les limites de l’erreur expérimentale, quelle que soit la pression de la cible de gaz néon. On peut donc en conclure que les atomes de néon muonique se trouvaient dans un environnement isolé.
Dépendance de l’énergie des rayons X caractéristiques muoniques par rapport à la pression du gaz néon et comparaison avec les derniers calculs théoriques. L’énergie des rayons X caractéristiques muoniques est tracée en fonction de la pression de la cible de gaz néon. Aucune variation de l’énergie en fonction de la pression n’a été observée dans les limites de l’erreur expérimentale, ce qui indique que les atomes muon-néon se trouvaient dans un environnement isolé. Les mesures précises de l’énergie des rayons X caractéristiques muoniques sont en excellent accord avec les résultats des derniers calculs théoriques. Crédit : Okumura et al.
Ils ont comparé les derniers calculs théoriques avec les résultats expérimentaux et ont confirmé qu’ils étaient en accord avec l’erreur expérimentale. Nous avons réussi à vérifier l’effet de la polarisation du vide sous un champ électrique intense avec une précision extrêmement élevée de 5,8 %. Cette précision est comparable à celle de la QED à champ fort utilisant l’ion d’uranium multichargé U91+, qui est l’observation la plus précise à ce jour.
Référence : « Expérience de preuve de principe pour tester l’électrodynamique quantique en champ fort avec des atomes exotiques : High Precision X-Ray Spectroscopy of Muonic Neon » par T. Okumura et al, 27 avril 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.173001