Les limites de l'EDM du deutéron sondent l'asymétrie matière-antimatière

Les scientifiques ont franchi une étape importante dans la recherche de la raison pour laquelle notre univers est principalement composé de matière plutôt que d'antimatière. En mesurant l'« inclinaison » infinitésimale du spin de la particule de deutéron au sein d'un anneau de stockage, des chercheurs, dont A. Andres, A. Aggarwal et L. Barion, ont établi la toute première limite expérimentale sur son moment dipolaire électrique (EDM). Cette découverte, détaillée dans une nouvelle étude menée au COoler SYnchrotron (COSY), constitue une sonde critique de la physique au-delà du Modèle standard et aborde l'asymétrie fondamentale Matière-Antimatière qui permet à notre univers d'exister.

Le mystère de l'existence : l'asymétrie matière-antimatière

L'asymétrie matière-antimatière fait référence au déséquilibre observé entre la matière baryonique et la matière antibaryonique dans l'univers observable. Selon la théorie du Big Bang, l'univers aurait dû produire des quantités égales de matière et d'antimatière, qui se seraient finalement annihilées mutuellement, ne laissant derrière elles que du rayonnement. Cependant, la présence de galaxies, d'étoiles et de la vie confirme qu'un léger surplus de matière a survécu à ce processus cataclysmique.

Pour expliquer cet écart, les physiciens recherchent la violation de la parité de charge (CP), un phénomène où les lois de la physique changent lorsqu'une particule est échangée avec son antiparticule et que ses coordonnées spatiales sont inversées par effet miroir. Bien que le Modèle standard de la physique des particules inclue une certaine violation de CP, celle-ci est insuffisante pour rendre compte de l'asymétrie massive Matière-Antimatière observée aujourd'hui. Cette lacune suggère l'existence de processus physiques ou de particules non découverts qui interagissent selon des modes encore non cartographiés par la science moderne.

Quel est le lien entre l'EDM du deutéron et la violation de CP ?

Le moment dipolaire électrique (EDM) du deutéron provient d'opérateurs violant la symétrie CP dans les interactions entre particules, car un EDM non nul viole à la fois la parité (P) et la symétrie par renversement du temps (T). En vertu du théorème fondamental de la conservation CPT, une violation de la symétrie par renversement du temps doit s'accompagner d'une violation de la symétrie CP. Ce lien profond fait de l'EDM du deutéron une sonde d'une sensibilité unique pour détecter de nouvelles sources de violation de CP qui pourraient expliquer l'asymétrie matière-antimatière.

Dans une particule fondamentale, un EDM représente une séparation permanente des charges positives et négatives le long de son axe de spin. Si le deutéron — un noyau atomique simple composé d'un proton et d'un neutron — possède un EDM non nul, cela indiquerait que sa distribution de charge interne est légèrement « asymétrique ». Étant donné que le Modèle standard prédit un EDM si faible qu'il est presque impossible à mesurer, toute détection d'un EDM plus important constituerait une « preuve irréfutable » d'une nouvelle physique au-delà de notre compréhension actuelle.

Quelle est la signification de la limite |d^d| < 2,5 × 10⁻¹⁷ e·cm ?

La limite |d^d| < 2,5 × 10⁻¹⁷ e·cm représente la toute première borne supérieure expérimentale sur l'EDM du deutéron, fournissant une nouvelle contrainte sur la physique au-delà du Modèle standard. Cette mesure est une preuve de concept cruciale qui démontre la faisabilité de l'utilisation d'anneaux de stockage magnétiques pour rechercher des asymétries subatomiques. Bien que la valeur soit une limite supérieure plutôt que la découverte d'un moment non nul, elle restreint l'espace de recherche pour les modèles théoriques tentant de résoudre l'asymétrie matière-antimatière.

En établissant cette limite, l'équipe de recherche a défini une base de référence pour toutes les futures mesures de précision. Le résultat expérimental a été obtenu avec un niveau de confiance de 95 %, ce qui signifie qu'il existe une certitude statistique élevée que l'EDM du deutéron n'est pas supérieur à cette valeur incroyablement minuscule. Cette réussite est particulièrement impressionnante car elle a été menée dans un anneau de stockage « conventionnel », ouvrant la voie à des expériences encore plus sensibles dans des installations spécifiquement conçues pour la recherche d'EDM.

À quoi sert le synchrotron COSY dans les expériences d'EDM ?

Le synchrotron COSY est utilisé dans les expériences d'EDM du deutéron pour stocker des faisceaux de deutérons polarisés dans un anneau où un champ électrique induit une précession du spin si un EDM est présent. En contrôlant soigneusement les environnements magnétique et électrique des particules, les chercheurs peuvent détecter une minuscule « inclinaison » de l'axe de spin invariant par rapport au plan de l'anneau. Cet environnement de haute précision permet d'isoler le signal de l'EDM du bruit de fond beaucoup plus important du moment magnétique de la particule.

Situé à Jülich, en Allemagne, le COoler SYnchrotron (COSY) est un accélérateur de particules spécialisé qui utilise le « refroidissement de faisceau » pour maintenir une qualité de faisceau élevée sur de longues périodes. Dans cette expérience, l'installation était équipée de plusieurs composants sophistiqués pour gérer la dynamique complexe du faisceau de deutérons :

• Filtre de Wien à radiofréquence : un dispositif qui applique des champs électriques et magnétiques orthogonaux pour manipuler le spin des particules sans modifier la trajectoire du faisceau.
• Serpent sibérien supraconducteur : une série d'aimants qui fait pivoter le spin des particules pour maintenir la polarisation et atténuer les erreurs systématiques.
• Solénoïde du refroidisseur d'électrons : utilisé pour focaliser et stabiliser le faisceau, garantissant que les particules restent sur une trajectoire serrée et prévisible pour la mesure.

La méthodologie : la mesure de précision en mouvement

Mesurer l'EDM d'une particule chargée nécessite d'identifier une faible inclinaison de l'axe de spin invariant par rapport au plan de l'anneau. Dans un monde parfaitement symétrique, le spin d'une particule circulant dans un anneau magnétique resterait aligné avec le champ magnétique. Cependant, un EDM interagirait avec les champs électriques effectifs dans le référentiel de la particule, provoquant un basculement lent du spin hors du plan horizontal de l'accélérateur.

L'équipe de recherche, comprenant A. Andres et ses collègues, a passé des années à affiner les techniques permettant de distinguer cette minuscule inclinaison induite par l'EDM des inclinaisons causées par des désalignements mécaniques des aimants. Le défi est immense : les inclinaisons observées étaient de l'ordre de quelques milliradians, et les chercheurs ont dû prouver que celles-ci étaient dominées par des effets systématiques plutôt que par une propriété fondamentale du deutéron lui-même. En tenant compte de ces erreurs, ils ont pu calculer la valeur maximale possible que l'EDM pourrait prendre sans être détecté.

Au-delà du Modèle standard : que se passe-t-il ensuite ?

Le Modèle standard prédit que l'EDM du deutéron est d'environ 10⁻³¹ e·cm, ce qui est inférieur de plusieurs ordres de grandeur à la limite expérimentale actuelle. Cet écart massif met en évidence la « fenêtre de découverte » — l'espace où pourrait résider une nouvelle physique, telle que la supersymétrie ou d'autres théories au-delà du Modèle standard. Si de futures expériences détectent un EDM avant d'atteindre le seuil du Modèle standard, cela fournirait une preuve directe des forces qui ont causé l'asymétrie matière-antimatière.

À l'avenir, le succès de COSY fournit une base technique pour la construction d'un anneau de stockage EDM dédié. Une telle installation utiliserait des champs de courbure « tout électriques » ou « hybrides » pour atteindre des sensibilités des milliers de fois supérieures à la limite actuelle. Les chercheurs pensent qu'en atteignant une sensibilité de 10⁻²⁹ e·cm, ils pourraient enfin découvrir la source de la violation de CP qui a permis à l'univers de passer d'une soupe de rayonnement à un cosmos rempli de matière.

Conclusion : un fondement pour la découverte

La détermination expérimentale de la limite de l'EDM du deutéron marque une transition entre la spéculation théorique et les tests expérimentaux de précision. Bien que la limite actuelle de 2,5 × 10⁻¹⁷ e·cm ne révèle pas encore de « nouvelle physique », elle prouve que la méthode de l'anneau de stockage est un outil viable et puissant pour la physique nucléaire. La collaboration entre les institutions internationales et la maîtrise technique affichée à l'installation COSY ont rapproché l'humanité de la compréhension de ses propres origines.

Les études futures se concentreront sur la réduction accrue des incertitudes systématiques et l'exploration des EDM d'autres particules, telles que les protons et les noyaux d'hélium-3. Alors que la recherche mondiale sur l'asymétrie matière-antimatière s'intensifie, les leçons tirées de cette étude sur le deutéron serviront de feuille de route pour la prochaine génération de chasseurs de particules cherchant à résoudre le plus grand mystère du Big Bang.