Les électrons sont extrêmement ronds, confirme une nouvelle mesure

Pour tester si les électrons sont vraiment ronds, les physiciens ont utilisé des molécules de fluorure de hafnium chargées électriquement contenues dans une chambre à vide (illustré).

Casey A. Cass/Université du Colorado

Par Emily Conover

6 juillet 2023 à 14h00

Les électrons sont vraiment très ronds.

Une nouvelle mesure confirme la forme sphérique de la particule subatomique avec un niveau de précision record, rapportent des physiciens dans le Science du 7 juillet.

Cette rondeur presque parfaite approfondit le mystère derrière la façon dont l’univers est devenu rempli de matière par opposition à son homologue, l’antimatière. Toute asymétrie dans la forme de l'électron, à savoir la distribution de la charge électrique de la particule, indiquerait une asymétrie connexe dans les lois de la nature, qui pourrait expliquer cette caractéristique du cosmos.

La mesure — d'une propriété connue dans le langage physicien sous le nom de moment dipolaire électrique de l'électron — est deux fois plus précise que la meilleure mesure précédente de la forme de l'électron (SN : 17/10/18).

"Je ne pense pas que Guinness suive cela, mais s'ils le faisaient, nous aurions un nouveau record du monde", déclare la physicienne Tanya Roussy de l'Université du Colorado à Boulder. La nouvelle mesure est si précise que si un électron avait la taille de la Terre, toute asymétrie de forme devrait être à une échelle plus petite que celle d’un atome.

Pour évaluer la forme de la particule, Roussy et ses collègues ont examiné si les électrons pivotaient dans un champ électrique. Si les électrons n’étaient pas ronds mais légèrement en forme d’œuf, un champ électrique exercerait sur eux un couple, un peu comme la gravité renverse un œuf posé sur son extrémité.

Pour voir ce couple, l’équipe a recherché des changements dans les niveaux d’énergie des molécules de fluorure de hafnium chargées électriquement. Tout couple sur les électrons donnerait aux molécules différents niveaux d’énergie selon la direction dans laquelle « l’œuf » était orienté par rapport à un champ électrique. Les chercheurs n'ont trouvé aucune différence dans les niveaux d'énergie des molécules, confirmant la rondeur de l'électron.

À leur niveau le plus élémentaire, les électrons sont des particules ponctuelles, sans taille ni forme définies. Mais dans la théorie quantique des champs, les électrons peuvent être considérés comme entourés de particules « virtuelles » temporaires qui apparaissent et disparaissent, donnant à chaque électron un halo sphérique de charge électrique. Si ce halo s’avérait légèrement en forme d’œuf, cela pourrait indiquer à quel point l’univers est devenu déséquilibré par rapport à la matière.

Le Big Bang aurait dû créer de la matière et de l’antimatière à parts égales – les deux sont des images miroir l’une de l’autre, avec des charges électriques opposées. Mais la matière dans notre univers est courante alors que l’antimatière est rare. Les physiciens théoriciens ont suggéré que l’existence de certaines particules subatomiques aurait pu faire pencher la balance du côté de la matière (SN : 22/09/22). Si ces particules existent, elles apparaîtraient et disparaîtraient également de manière transitoire autour de l’électron, de manière à le rendre oblong.

De telles particules seraient si massives et nécessiteraient donc tellement d'énergie pour être produites qu'elles ne seraient pas détectables même au plus grand accélérateur de particules du monde, le Grand collisionneur de hadrons près de Genève. Cela fait des études sensibles de la rondeur de l’électron un test important pour les physiciens des particules. Et de telles expériences sont sur le point de s'améliorer encore, en testant des particules de masses encore plus grandes, explique le physicien David DeMille de l'Université de Chicago, l'un des scientifiques à l'origine de la meilleure mesure précédente de la rondeur de l'électron.

Pour l’instant, le nouveau résultat ne montre aucune trace de particules cachées, laissant ainsi le mystère de la façon dont la matière a pris le dessus. Et cela, dit DeMille, « nous laisse avec la question de savoir ce qui existe ».

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TS Roussy et al. Une limite améliorée sur le moment dipolaire électrique de l'électron. Science. Vol. 381, 7 juillet 2023, p. 46. ​​est ce que je : 10.1126/science.adg4084.

L'écrivaine en physique Emily Conover est titulaire d'un doctorat. en physique de l'Université de Chicago. Elle est deux fois lauréate du prix Newsbrief de la DC Science Writers' Association.