L'électron est si rond qu'il exclut de nouvelles particules potentielles

Imaginez un électron comme un nuage sphérique de charge négative. Si cette balle était un tant soit peu moins ronde, cela pourrait aider à expliquer des lacunes fondamentales dans notre compréhension de la physique, y compris pourquoi l'univers contient quelque chose plutôt que rien.

Compte tenu des enjeux, une petite communauté de physiciens s'acharne depuis quelques décennies à rechercher toute asymétrie dans la forme de l'électron. Les expériences sont maintenant si sensibles que si un électron avait la taille de la Terre, elles pourraient détecter une bosse au pôle Nord de la hauteur d'une seule molécule de sucre.

Les derniers résultats sont dans : L'électron est plus rond que cela.

La mesure mise à jour déçoit quiconque espère des signes de nouvelle physique. Mais cela aide toujours les théoriciens à contraindre leurs modèles pour quelles particules et forces inconnues peuvent manquer à l'image actuelle.

"Je suis sûr qu'il est difficile d'être l'expérimentateur mesurant zéro tout le temps, [mais] même un résultat nul dans cette expérience est vraiment précieux et nous apprend vraiment quelque chose", a déclaré Pierre Graham, physicien théoricien à l'Université de Stanford. La nouvelle étude est "un tour de force technologique et également très important pour la nouvelle physique".

Braconnage des éléphants

La Modèle standard de la physique des particules est notre meilleure liste de toutes les particules qui existent dans le zoo de l'univers. La théorie a exceptionnellement bien résisté aux tests expérimentaux au cours des dernières décennies, mais elle laisse de sérieux "éléphants dans la pièce", a déclaré Dmitri Budker, physicien à l'Université de Californie à Berkeley.

D'une part, notre simple existence est la preuve que le modèle standard est incomplet, puisque selon la théorie, le Big Bang aurait dû produire à parts égales de la matière et de l'antimatière qui se seraient annihilées.

En 1967, le physicien soviétique Andrei Sakharov a proposé un solution possible à cette énigme particulière. Il a conjecturé qu'il doit y avoir un processus microscopique dans la nature qui semble différent à l'envers ; de cette façon, la matière pourrait devenir dominante sur l'antimatière. Quelques années auparavant, les physiciens avaient découvert un tel scénario dans la désintégration de la particule de kaon. Mais cela seul ne suffisait pas à expliquer l'asymétrie.

Depuis lors, les physiciens sont à la recherche de nouvelles particules susceptibles de faire encore pencher la balance. Certains le font directement, en utilisant le Large Hadron Collider – souvent présenté comme la machine la plus compliquée jamais construite. Mais au cours des dernières décennies, une alternative relativement peu coûteuse a émergé : examiner comment des particules hypothétiques modifieraient les propriétés de particules connues. "Vous voyez des empreintes [de la nouvelle physique], mais vous ne voyez pas réellement la chose qui les a faites", a déclaré Michael Ramsey-Musolf, physicien théoricien à l'Université du Massachusetts, Amherst.

Une telle empreinte potentielle pourrait apparaître dans la rondeur de l'électron. La mécanique quantique dicte qu'à l'intérieur du nuage de charge négative de l'électron, d'autres particules scintillent constamment dans et hors de l'existence. La présence de certaines particules "virtuelles" au-delà du modèle standard - du genre qui pourrait aider à expliquer la suprématie primordiale de la matière - donnerait au nuage d'électrons un aspect légèrement plus ovoïde. Une pointe aurait une charge un peu plus positive, l'autre un peu plus négative, comme les extrémités d'un barreau magnétique. Cette séparation de charge est appelée moment dipolaire électrique (EDM).

Le modèle standard prédit un EDM extrêmement petit pour l'électron - près d'un million de fois plus petit que ce que les techniques actuelles peuvent sonder. Donc, si les chercheurs devaient détecter une forme oblongue à l'aide des expériences d'aujourd'hui, cela révélerait des traces définitives de nouvelle physique et indiquerait ce que le modèle standard pourrait manquer.

Pour rechercher l'EDM de l'électron, les scientifiques recherchent un changement dans le spin de la particule, une propriété intrinsèque qui définit son orientation. Le spin de l'électron peut être facilement mis en rotation par des champs magnétiques, son moment magnétique servant en quelque sorte de poignée. Le but de ces expériences sur table est d'essayer de faire tourner le spin en utilisant des champs électriques à la place, avec l'EDM comme poignée électrique.

"Si l'électron est parfaitement sphérique, il n'a pas de poignées sur lesquelles s'agripper pour exercer un couple", a déclaré Amar Vuta, physicien à l'Université de Toronto. Mais s'il y a un EDM important, le champ électrique l'utilisera pour tirer sur le spin de l'électron.

En 2011, des chercheurs de l'Imperial College de Londres montré qu'ils pouvaient amplifier cet effet de poignée en ancrant l'électron à une molécule lourde. Depuis lors, deux équipes principales se sont dépassées toutes les quelques années avec des mesures de plus en plus précises.

Une expérience, maintenant à l'Université Northwestern, porte le nom d'Advanced Cold Molecule Electron EDM, ou ACME (un backronyme inspiré de l'ancien Road Runner les dessins animés). Un autre est basé à l'institut JILA de l'Université du Colorado. La sensibilité des mesures des équipes concurrentes a été multipliée par 200 au cours de la dernière décennie - toujours sans EDM à voir.

"C'est une sorte de course, sauf que nous n'avons aucune idée de l'endroit où se trouve la ligne d'arrivée, ni même s'il y a une ligne d'arrivée", a déclaré David Demille, physicien à l'Université de Chicago et l'un des dirigeants du groupe ACME.

Une course vers l'inconnu

Pour garder une longueur d'avance sur le trekking, les chercheurs veulent deux choses : plus de mesures et un temps de mesure plus long. Les deux équipes adoptent des approches opposées.

Le groupe ACME, qui a fixé le enregistrement précédent en 2018, privilégie la quantité de mesures. Ils lancent un faisceau de molécules neutres à travers le laboratoire, sondant des dizaines de millions d'entre elles chaque seconde, mais seulement pendant quelques millisecondes chacune. Le groupe JILA mesure moins de molécules, mais plus longtemps : ils piègent quelques centaines de molécules à la fois, puis les mesurent jusqu'à trois secondes.

La technique de piégeage des ions, mise au point par Éric Cornell, un physicien de l'Université du Colorado à Boulder qui dirige le groupe JILA, a été "une grande percée conceptuelle", a déclaré DeMille. "Beaucoup de gens sur le terrain pensaient que c'était fou. Le voir se concrétiser est vraiment excitant.

Avoir deux configurations expérimentales distinctes qui peuvent se recouper est "absolument crucial", a déclaré Budker. « Je n'ai pas de mots pour exprimer mon admiration pour cette intelligence et cette persévérance. C'est simplement la meilleure science qui soit.

La technique de Cornell a d'abord été présenté en 2017 avec des molécules de fluorure d'hafnium. Depuis, des améliorations techniques ont permis au groupe de dépasser le record d'ACME par un facteur de 2.4, comme décrit dans un prépublication récente dirigée par l'ancienne étudiante diplômée de Cornell, Tanya Roussy. L'équipe a refusé de commenter alors que leur article est en cours d'examen à Science.

Sonder la rondeur de l'électron avec une précision accrue équivaut à rechercher une nouvelle physique à des échelles d'énergie plus élevées ou à rechercher des signes de particules plus lourdes. Cette nouvelle borne est sensible aux énergies supérieures à environ 10¹³ électron-volts — plus d'un ordre de grandeur au-delà de ce que le LHC peut actuellement tester. Il y a quelques décennies, la plupart des théoriciens s'attendaient à ce que des indices de nouvelles particules soient découverts bien en dessous de cette échelle. A chaque fois que la barre monte, certaines idées sont discréditées.

"Nous devons continuer à lutter avec ce que ces limites impliquent", a déclaré Ramsey-Musolf. "Rien n'a encore été tué, mais ça fait monter la température."

Pendant ce temps, la communauté EDM électronique va de l'avant. Dans les futures itérations expérimentales, les groupes en duel visent à se rencontrer quelque part au milieu : l'équipe JILA prévoit de créer un faisceau plein d'ions pour augmenter leur nombre, et l'équipe ACME souhaite étendre la longueur de leur faisceau pour augmenter leur temps de mesure. Vutha travaille même sur des approches "totalement folles", comme la congélation de molécules dans des blocs de glace, dans l'espoir de sauter plusieurs ordres de grandeur en sensibilité.

Le rêve est que ces expériences EDM soient les premières à détecter les signes d'une nouvelle physique, provoquant une vague d'enquêtes de suivi à partir d'autres expériences de mesure de précision et de collisionneurs de particules plus grands.

La forme de l'électron est "quelque chose qui nous enseigne des éléments totalement nouveaux et différents des lois fondamentales de la nature", a déclaré Graham. « Il y a une énorme découverte qui attend de se produire. Je suis optimiste que nous y arriverons.