Des chercheurs ont effectué une mesure de précision record du moment dipolaire électrique de l’électron (eEDM) à la recherche d’une asymétrie qui pourrait expliquer l’existence de la matière. Malgré une précision accrue, leurs résultats ont montré que l’électron était symétrique, sans asymétrie perceptible. Leur étude, bien qu’elle n’apporte pas de réponse définitive, permet de mieux comprendre la nature fondamentale de l’univers et ouvre la voie à d’autres solutions que les coûteux accélérateurs de particules pour ce type d’étude.
Des physiciens du JILA effectuent une mesure record d’une propriété clé des électrons.
Dans les premiers instants de notre univers, un nombre incalculable de protons, de neutrons et d’électrons se sont formés aux côtés de leurs homologues antimatière. Au fur et à mesure de l’expansion et du refroidissement de l’univers, la quasi-totalité de ces particules de matière et d’antimatière se sont rencontrées et annihilées, ne laissant dans leur sillage que des photons, c’est-à-dire des éclairs de lumière.
Si l’univers était parfaitement symétrique, avec des quantités égales de matière et d’antimatière, l’histoire s’arrêterait là et nous n’aurions jamais existé. Mais il a dû y avoir un déséquilibre – des restes de protons, de neutrons et d’électrons – qui ont formé des atomes, des molécules, des étoiles, des planètes, des galaxies et, finalement, des êtres humains.
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. Crédit : JILA/Steven Burrows
« Si l’univers avait été parfaitement symétrique, il ne resterait plus que la lumière. C’est un moment extrêmement important dans l’histoire. Soudain, il y a des choses dans l’univers, et la question est de savoir pourquoi », a déclaré Eric Cornell, membre du NIST/JILA. « Pourquoi cette asymétrie ? »
Les théories et équations mathématiques qui expliquent notre univers font appel à la symétrie. Les théoriciens des particules ont affiné ces théories pour s’attaquer à la présence de l’asymétrie. Mais sans preuves, ces théories ne sont que des mathématiques, explique M. Cornell. C’est pourquoi les physiciens expérimentaux, dont son groupe au JILA, ont examiné les particules fondamentales, telles que les électrons, à la recherche de signes d’asymétrie.
Aujourd’hui, le groupe du JILA a effectué une mesure record des électrons, ce qui a permis d’affiner la recherche de l’origine de cette asymétrie. Ses conclusions ont été publiées dans Science. Le JILA est géré conjointement par le National Institute of Standards and Technology (NIST) et l’université du Colorado à Boulder.
« C’est un moment extrêmement important dans l’histoire. Soudain, il y a des choses dans l’univers, et la question est de savoir pourquoi ».
– Eric Cornell, chercheur au NIST/JILA
Le moment dipolaire électrique de l’électron (eEDM) est l’un des endroits où l’on peut trouver des preuves d’asymétrie. Les électrons sont constitués d’une charge électrique négative, et le moment dipolaire électrique indique la répartition de cette charge entre les pôles nord et sud de l’électron. Toute mesure de l’eEDM supérieure à zéro confirmerait l’existence d’une asymétrie : l’électron serait plus ovoïde que circulaire. Mais personne ne sait à quel point cet écart peut être faible.
« Nous devons corriger nos mathématiques pour qu’elles soient plus proches de la réalité », explique Tanya Roussy, étudiante diplômée dans le groupe de recherche de Cornell 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 renseigne sur la symétrie de l’univers. »
Cornell, Roussy et leur équipe au NIST et au JILA ont récemment établi un record pour la mesure de précision de l’eEDM, améliorant les mesures précédentes d’un facteur 2,4.
Quelle est cette précision ? Si un électron avait la taille de la Terre, leur étude a révélé que toute asymétrie existante serait plus petite que le rayon d’un atome, a expliqué Roussy.
Il est incroyablement difficile d’effectuer une mesure aussi précise, ajoute-t-elle, c’est pourquoi le groupe a dû faire preuve d’ingéniosité. Les chercheurs ont examiné des molécules de fluorure d’hafnium. S’ils appliquaient un champ électrique puissant aux molécules, les électrons non ronds voudraient s’aligner sur le champ, se déplaçant à l’intérieur de la molécule. S’ils étaient ronds, les électrons ne bougeaient pas.
À l’aide d’un laser ultraviolet, les chercheurs ont arraché des électrons aux molécules, créant ainsi un ensemble d’ions chargés positivement, et les ont piégés. En alternant le champ électromagnétique autour du piège, les molécules ont été forcées de s’aligner ou non sur le champ. Les chercheurs ont ensuite utilisé des lasers pour mesurer les niveaux d’énergie des deux groupes. Si les niveaux étaient différents, cela indiquait 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 niveau d’énergie, ce qui indique que, pour autant que nous puissions les mesurer actuellement, les électrons sont ronds.
Il n’y a aucune garantie que quelqu’un trouve une mesure non nulle de l’eEDM, souligne Cornell, mais ce niveau de précision obtenu à partir d’une expérience de table est un exploit. Il montre que les coûteux accélérateurs de particules ne sont pas le seul moyen d’explorer ces questions fondamentales sur l’Univers et qu’il existe de nombreuses possibilités. Bien que le groupe n’ait pas trouvé d’asymétrie, ses résultats aideront les chercheurs à continuer à chercher des réponses à l’asymétrie de l’univers primitif.
« Nous avons constaté que jusqu’à notre mesure, l’électron est symétrique. Si nous avions trouvé une valeur non nulle, cela aurait été très important », a ajouté M. Roussy. « La meilleure solution consiste à faire appel à des équipes de scientifiques du monde entier pour étudier différentes options. Tant que nous continuerons à mesurer la vérité, quelqu’un finira par la trouver ».
Référence : « An improved bound on the electron’s electric dipole moment » par 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, 6 juillet 2023, Science.
DOI : 10.1126/science.adg4084