Les physiciens mesurent le moment dipolaire électrique des électrons avec une précision sans précédent

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. Dirigée par Eric Cornell et Jun 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.

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 – ne permet 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.

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 de un article dans Science 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 µHz.