Les scientifiques de l’Université de Sussex ont mesuré une propriété du neutron – une particule fondamentale dans l’univers – plus précisément que jamais. Leur recherche fait partie d’une enquête sur la raison pour laquelle il reste de la matière dans l’univers, c’est-à-dire pourquoi toute l’antimatière créée dans le Big Bang n’a pas simplement annulé la question.

L’équipe – qui comprenait le laboratoire Rutherford Appleton du Science and Technology Facilities Council (STFC) au Royaume-Uni, le Paul Scherrer Institute (PSI) en Suisse, et un certain nombre d’autres institutions – cherchait à savoir si le neutron agit comme une « boussole électrique ». Les neutrons sont censés être de forme légèrement asymétrique, légèrement positifs à une extrémité et légèrement négatifs à l’autre – un peu comme l’équivalent électrique d’un aimant en barre. C’est ce que l’on appelle le «moment dipolaire électrique» (EDM), et c’est ce que l’équipe recherchait.

Les scientifiques font un pas de plus vers la compréhension du mystère de la matière dans l'univers

Il s’agit d’une pièce importante du puzzle dans le mystère de la raison pour laquelle la matière reste dans l’Univers, car les théories scientifiques sur les raisons pour lesquelles il reste de la matière prédisent également que les neutrons ont la propriété de la « boussole électrique », dans une plus ou moins grande mesure. En le mesurant, il aide les scientifiques à se rapprocher de la vérité sur la raison pour laquelle la matière reste.

L’équipe de physiciens a découvert que le neutron a un EDM significativement plus petit que prévu par diverses théories sur les raisons pour lesquelles la matière reste dans l’univers; cela rend ces théories moins susceptibles d’être correctes, elles doivent donc être modifiées ou de nouvelles théories trouvées. En fait, il a été dit dans la littérature qu’au fil des ans, ces mesures EDM, considérées comme un ensemble, ont probablement réfuté plus de théories que toute autre expérience dans l’histoire de la physique. Les résultats sont publiés aujourd’hui, vendredi 28 février 2020, dans la revue Physical Review Letters.

Le professeur Philip Harris, directeur de l’École des sciences mathématiques et physiques et chef du groupe EDM à l’Université de Sussex, a déclaré:

« Après plus de deux décennies de travail par des chercheurs de l’Université de Sussex et d’ailleurs, un résultat final est ressorti d’une expérience conçue pour résoudre l’un des problèmes les plus profonds de la cosmologie au cours des cinquante dernières années: la question de savoir pourquoi L’univers contient tellement plus de matière que l’antimatière, et, en fait, pourquoi il en contient maintenant. Pourquoi l’antimatière n’a-t-elle pas annulé toute la matière? Pourquoi reste-t-il de la matière?

« La réponse se rapporte à une asymétrie structurelle qui devrait apparaître dans des particules fondamentales comme les neutrons. C’est ce que nous recherchions. Nous avons constaté que le » moment dipolaire électrique « est plus petit qu’on ne le pensait. Cela nous aide à exclure les théories sur la raison pour laquelle il reste de la matière – parce que les théories régissant les deux choses sont liées.

« Nous avons établi une nouvelle norme internationale pour la sensibilité de cette expérience. Ce que nous recherchons dans le neutron – l’asymétrie qui montre qu’il est positif à une extrémité et négatif à l’autre – est incroyablement minuscule. Notre expérience a pu mesurer cela de manière si détaillée que si l’asymétrie pouvait être agrandie à la taille d’un ballon de football, alors un ballon de football agrandi de la même quantité remplirait l’Univers visible. « 

L’expérience est une version améliorée d’un appareil conçu à l’origine par des chercheurs de l’Université de Sussex et du Laboratoire Rutherford Appleton (RAL), et qui détient sans interruption le record mondial de sensibilité de 1999 à aujourd’hui.

Le Dr Maurits van der Grinten, du groupe neutronique EDM au Rutherford Appleton Laboratory (RAL), a déclaré:

« L’expérience combine diverses technologies de pointe qui doivent toutes être exécutées simultanément. Nous sommes ravis que l’équipement, la technologie et l’expertise développés par les scientifiques de RAL aient contribué aux travaux visant à repousser les limites de cet important paramètre »

Le Dr Clark Griffith, chargé de cours en physique à l’École des sciences mathématiques et physiques de l’Université de Sussex, a déclaré:

« Cette expérience rassemble des techniques de la physique nucléaire atomique et à basse énergie, y compris la magnétométrie optique basée sur laser et la manipulation de spin quantique. En utilisant ces outils multidisciplinaires pour mesurer les propriétés du neutron de manière extrêmement précise, nous sommes en mesure de sonder des questions pertinentes à la physique des particules à haute énergie et à la nature fondamentale des symétries sous-jacentes à l’univers. « 

50000 mesures

Tout moment dipolaire électrique qu’un neutron peut avoir est minuscule et est donc extrêmement difficile à mesurer. Des mesures antérieures d’autres chercheurs l’ont confirmé. En particulier, l’équipe a dû faire de grands efforts pour maintenir le champ magnétique local très constant lors de sa dernière mesure. Par exemple, chaque camion qui passait sur la route à côté de l’institut perturbait le champ magnétique sur une échelle qui aurait été significative pour l’expérience, donc cet effet devait être compensé pendant la mesure.

De plus, le nombre de neutrons observés devait être suffisamment important pour permettre de mesurer le moment dipolaire électrique. Les mesures ont duré deux ans. Des neutrons dits ultra-froids, c’est-à-dire des neutrons à vitesse relativement lente, ont été mesurés. Toutes les 300 secondes, un tas de plus de 10 000 neutrons a été dirigé vers l’expérience et examiné en détail. Les chercheurs ont mesuré un total de 50 000 de ces grappes.

Une nouvelle norme internationale est établie

Les derniers résultats des chercheurs ont soutenu et amélioré ceux de leurs prédécesseurs: une nouvelle norme internationale a été établie. La taille de l’EDM est encore trop petite pour être mesurée avec les instruments qui ont été utilisés jusqu’à présent, de sorte que certaines théories qui tentaient d’expliquer l’excès de matière sont devenues moins probables. Le mystère demeure donc pour le moment.

La prochaine mesure, plus précise, est déjà en cours de construction au PSI. La collaboration PSI prévoit de commencer sa prochaine série de mesures d’ici 2021.

Recherche de « nouvelle physique »

Le nouveau résultat a été déterminé par un groupe de chercheurs de 18 instituts et universités en Europe et aux États-Unis sur la base des données collectées à la source de neutrons ultra-froids du PSI. Les chercheurs y ont collecté des données de mesure sur une période de deux ans, les ont évaluées très soigneusement dans deux équipes distinctes, et ont ensuite pu obtenir un résultat plus précis que jamais.

Le projet de recherche s’inscrit dans la recherche d’une « nouvelle physique » qui irait au-delà du soi-disant modèle standard de physique, qui définit les propriétés de toutes les particules connues. C’est également un objectif majeur des expériences dans des installations plus grandes telles que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN.

Les techniques initialement développées pour la première mesure EDM dans les années 1950 ont conduit à des développements révolutionnaires tels que les horloges atomiques et les scanners IRM, et à ce jour, il conserve son impact énorme et continu dans le domaine de la physique des particules.