Les physiciens mesurent le moment dipolaire électrique de l’électron avec une précision sans précédent – ​​Physics World

Les physiciens mesurent le moment dipolaire électrique de l’électron avec une précision sans précédent – ​​Physics World

Horodatage: 22 août 2023 8:00

Photo de la chambre à vide et d'autres appareils expérimentaux utilisés pour mesurer l'eEDM
Surveillance de la précession : les chercheurs ont mesuré le moment dipolaire électrique des électrons dans les ions fluorure de hafnium confinés dans un piège à ions. (Autorisation : Casey Cass/Université du Colorado)

Des physiciens de l'Université du Colorado à Boulder, aux États-Unis, ont déterminé la forme de la distribution des charges des électrons avec une précision sans précédent. Dirigé par Éric Cornell ainsi que Juin Ye, l'équipe a découvert que tout déséquilibre dans cette distribution de charge – le moment dipolaire électrique de l'électron, ou eEDM – doit être inférieur à 4.1 x 10.- 30 e cm, avec une incertitude de 2.1×10- 30 e cm. Cette précision équivaut à mesurer la taille de la Terre aux dimensions d’un virus, et le résultat a des implications importantes dans la recherche de nouvelles particules au-delà du modèle standard.

Une façon de rechercher de nouvelles particules consiste à le faire directement, en brisant des particules connues ensemble dans de grands accélérateurs de particules tels que le Grand collisionneur de hadrons (LHC), à des énergies toujours croissantes. L’alternative est de le faire indirectement, en recherchant des signes révélateurs de la présence de nouvelles particules dans la répartition des charges de l’électron. C’est la méthode utilisée par l’équipe de CU-Boulder et elle permet d’effectuer la recherche sur une table de laboratoire.

La symétrie de l'univers, reflétée dans un électron

L’électron possède un moment magnétique dû à son spin et peut être considéré comme une charge tournante générant un dipôle magnétique. En revanche, un moment dipolaire électrique (EDM) ne peut se produire que si la répartition des charges de l’électron est légèrement déformée. La présence d’une telle distorsion signifierait que l’électron n’obéit plus à la symétrie d’inversion du temps, ce qui est l’exigence fondamentale selon laquelle la physique est la même, que le temps s’écoule vers l’avant ou vers l’arrière.

Pour comprendre pourquoi cette symétrie serait violée, réfléchissons à ce qui se passerait si le temps s’inversait. L’électron tournerait alors dans le sens opposé et la direction de son moment magnétique s’inverserait. L’eEDM, cependant, est le résultat d’une distorsion de charge permanente et resterait donc inchangé. C’est un problème, car si nous commençons avec les deux moments parallèles, un renversement du temps les rend antiparallèles, violant ainsi la symétrie temporelle.

Le modèle standard – le meilleur cadre actuel pour les forces et les particules qui composent l'univers – n'autorise qu'un très petit nombre de violations de la symétrie temporelle, il prédit donc que le moment dipolaire électrique de l'électron ne peut pas être supérieur à ~10.- 36 e cm. C'est beaucoup trop petit pour être testable expérimentalement, même avec l'équipement de pointe actuel.

Cependant, des extensions du modèle standard, telles que la supersymétrie, prédisent l'existence de nombreuses nouvelles particules à des énergies supérieures à celles découvertes jusqu'à présent. Ces nouvelles particules interagiraient avec l’électron pour lui donner un eEDM beaucoup plus grand. La recherche d’un eEDM non nul est donc une recherche d’une nouvelle physique au-delà du modèle standard et une chasse à un « marqueur » de nouvelles particules.

Les ions moléculaires aident à mesurer l'eEDM

Pour mesurer l'eEDM, les chercheurs de CU-Boulder détectent comment un électron vacille dans un champ magnétique et électrique externe. Cette oscillation, ou précession, est similaire à la rotation d'un gyroscope dans un champ gravitationnel. Lorsqu’un électron est placé dans un champ magnétique, il précédera à une fréquence spécifique grâce à son moment magnétique. Si l'électron possède également un EDM, l'application d'un champ électrique modifiera ce taux de précession : si l'électron est orienté dans une direction par rapport au champ électrique, la fréquence de précession s'accélérera ; s’il « pointe » dans l’autre direction, le taux ralentira.

"Nous sommes capables de déterminer l'eEDM en mesurant la différence de fréquence de cette oscillation, une fois avec l'électron orienté dans une direction et de nouveau avec lui dans l'autre", explique Trevor Wright, doctorant à CU-Boulder et co-auteur d'un article dans Sciences décrivant les résultats.

Plutôt que d’étudier un électron seul, les chercheurs surveillent la fréquence de précession d’un électron à l’intérieur des ions moléculaires du fluorure d’hafnium (HfF+). Le champ électrique interne de ces ions rend la différence de fréquence beaucoup plus grande, et en confinant les ions dans un piège, les chercheurs ont pu mesurer la précession de l'électron pendant trois secondes maximum, explique Trevor. En effet, les chercheurs maîtrisaient si bien les molécules qu’ils ont pu mesurer la fréquence de précession avec une précision de plusieurs dizaines de secondes. µhertz

Après 620 heures de collecte de données, au cours desquelles les chercheurs ont modifié plusieurs paramètres expérimentaux pour étudier et réduire les erreurs systématiques, ils ont réduit la limite supérieure de l'EDM électronique à 4.1 × 10.- 30 e cm. C’est 37 fois plus petit que leur propre mesure précédente et 2.4 fois plus petit que la meilleure limite précédente.

David contre Goliath ; eEDM contre LHC

La nouvelle limite contredit les prédictions pour l'eEDM faites par certaines extensions du modèle standard telles que la supersymétrie divisée (SUSY divisée) et la grande théorie unifiée du spin-10, bien que la limite précédente leur ait déjà donné un rejet. Comme l'explique Luke Caldwell, membre de l'équipe et chercheur postdoctoral à CU-Boulder : « Généralement, la taille prévue des échelles eEDM est inversement proportionnelle à l'échelle d'énergie de la nouvelle physique proposée et donc des mesures plus précises de la physique de la sonde eEDM à des énergies de plus en plus élevées. Balance. Nos mesures fournissent des contraintes sur la nouvelle physique à des échelles d’énergie de plusieurs dizaines de TeV, bien au-delà de la portée des collisionneurs de particules comme le LHC. Il est donc peu probable que de nouvelles particules existent en dessous de ces énergies.

De nombreux chercheurs, dont l’équipe de Boulder, font pression pour abaisser encore davantage la limite. « La prochaine génération de l’expérience eEDM utilisera une molécule différente, le fluorure de thorium. Cette molécule est intrinsèquement plus sensible à l'eEDM », explique Caldwell, ajoutant qu'ils devraient être capables de mesurer sa précession électronique pendant 10 à 20 secondes. "Un prototype de ce nouvel appareil est déjà opérationnel, piégeant les ions et enregistrant les premières précessions électroniques."

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