Pourquoi la matière et notre univers existent-ils ?

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Le début de notre univers a été une affaire violente et chaotique. Des particules de matière et d’antimatière naissaient et disparaissaient, disparaissant dans des éclats de lumière. Créés par paires, si des électrons, des neutrons, des protons et leurs équivalents en antimatière (avec des charges électriques opposées) se touchaient, ils s'annihilaient, ne laissant que de l'énergie pure, visible dans les éclairs de photons. Et si cet équilibre s'était maintenu, nous n'aurions plus rien. Il n'y aurait pas d'univers – pas de nous.

Mais ce n’est clairement pas le cas, et d’une manière ou d’une autre, la matière a prévalu, les particules restantes formant des atomes, des molécules et finalement toute la matière que nous avons. Et, étonnamment, nous ne pouvons pas trouver beaucoup d’antimatière.

Qu’est-ce qui explique ce problème d’asymétrie, même lorsque les mathématiques semblent indiquer le contraire, appelant à la symétrie ? Un nouvel article du groupe dirigé par le physicien Eric A. Cornell, lauréat du prix Nobel, du JILA/NIST à l'Université du Colorado à Boulder, fait un pas en avant vers la réponse à cette question.

Le Dr Eric Allin Cornell a partagé le prix Nobel de physique 2001 avec Carl E. Wieman et Wolfgang Ketterle, pour leurs travaux de synthèse du premier condensat de Bose-Einstein en 1995. Aujourd'hui, le groupe de physiciens expérimentaux de Cornell au JILA étudie des particules fondamentales comme électrons pour repérer l’asymétrie.

Dans leur nouvelle étude, publiée dans Science, le groupe partage une mesure record des électrons, nous rapprochant de la découverte de la source de l'asymétrie.

L’équipe a concentré son attention sur ce que l’on appelle le moment dipolaire électrique de l’électron (eEDM). L’eEDM nous indique à quel point la charge électrique négative portée par un électron est répartie uniformément entre ses pôles nord et sud. S’il y a une irrégularité, avec une mesure de l’eEDM supérieure à zéro, cela indiquerait que l’électron n’est pas complètement circulaire et qu’il a plutôt la forme d’un œuf. Ceci, à son tour, serait la preuve d’une asymétrie qui pourrait expliquer l’existence de la matière.

En travaillant avec des molécules de fluorure d'hafnium, l'équipe de Cornell a considérablement amélioré notre capacité à mesurer l'eEDM. Ils ont réussi à effectuer une mesure 2,4 fois plus précise que celles effectuées précédemment.

Comme l'explique le communiqué de presse du National Institute of Standards and Technology (NIST), le processus impliquait l'utilisation d'un laser ultraviolet pour retirer les électrons des molécules, créant ainsi un ensemble d'ions chargés positivement, qui étaient ensuite piégés.

Un champ électromagnétique alternait autour du piège pour amener les molécules à s'aligner ou non. Des lasers ont ensuite été utilisés pour mesurer les niveaux d’énergie dans les deux groupes ainsi créés. Toute différence dans les niveaux indiquerait que les électrons ne sont pas symétriques.

Pour la nouvelle expérience, l’équipe a pu obtenir des temps de mesure plus longs qu’auparavant. Cela a conduit à une meilleure sensibilité et précision. Ils n’ont cependant remarqué aucun mouvement dans les niveaux, concluant qu’au moins à ce niveau de précision, les électrons semblent toujours circulaires.

Crédit : Casey A. Cass/Université du Colorado

Interesting Engineering s'est entretenu avec le Dr Eric Cornell pour en savoir plus sur les méthodes du groupe et les résultats.

Ce qui suit a été légèrement modifié pour plus de clarté et de fluidité.

Ingénierie intéressante: Pourquoi est-il important de trouver des preuves d'asymétrie ?

Dr Cornell : Nous savons depuis le début qu'il existe une asymétrie et, dans l'asymétrie matière/antimatière, l'univers est composé de l'un et non de l'autre. Et nous pouvons essentiellement regarder en arrière et constater qu’après le Big Bang, il y avait un milliard de fois plus de choses dans l’univers qu’aujourd’hui. Et pour chaque milliard de protons et chaque milliard d’antiprotons, il y avait en réalité un milliard et un de protons, et donc ils étaient tous collés ensemble. Et ce qui restait n’était qu’une infime fraction de la matière et de l’antimatière laissées après le Big Bang.