Sur la piste de l'énigme de la matière

Lors du big bang, la matière de l'univers ainsi que ce que l'on appelle l'antimatière sont apparues - c'est du moins la théorie courante. Mais comme les deux s'annihilent mutuellement, un excédent de matière a d? se former et subsister jusqu'à aujourd'hui. Comment cela s'est-il produit est l'un des grands mystères de la physique et de l'astronomie. Les chercheurs espèrent trouver un indice du phénomène sous-jacent, notamment à l'aide des neutrons, les éléments constitutifs des noyaux atomiques qui ne sont pas chargés électriquement. L'hypothèse : si le neutron avait un moment dipolaire électrique mesurable (en abrégé : nEDM), le même principe physique qui expliquerait l'excès de matière après le big bang pourrait être à l'origine de ce phénomène.

50'000 mesures

La recherche du nEDM peut être exprimée en langage courant comme la question de savoir si le neutron est une boussole électrique ou non. On sait depuis longtemps que le neutron est une boussole magnétique et qu'il réagit à un champ magnétique, ou, dans le jargon, qu'il possède un moment dipolaire magnétique. Si le neutron devait également avoir un moment dipolaire électrique, la valeur de ce dernier serait toutefois beaucoup plus faible et donc beaucoup plus difficile à mesurer, comme on le sait déjà sur la base d'études antérieures.

Des physiciens de l'ETH Zurich, de l'Institut Paul Scherrer (PSI) à Villigen et de l'Université de Berne viennent de mesurer à nouveau - en collaboration avec des chercheurs de 13 autres institutions en Europe et aux ?tats-Unis - le moment dipolaire électrique du neutron avec une précision inégalée jusqu'à présent dans une nouvelle étude. Ils utilisent pour cela la source de neutrons ultrafroids du PSI, qui fournit des neutrons à une vitesse relativement lente. Sur une période de deux ans, des faisceaux de plus de 10 000 neutrons ont été dirigés vers l'expérience et examinés toutes les 300 secondes pendant huit secondes. Au total, les chercheurs ont mesuré 50'000 de ces faisceaux jusqu'à ce qu'ils aient un nombre suffisant de neutrons observés.

Les mesures ont nécessité quelques efforts pour maintenir le champ magnétique local constant. Par exemple, les camions qui passaient sur la route nationale à c?té du PSI perturbaient le champ magnétique dans un ordre de grandeur pertinent pour cette expérience et devaient donc être éliminés des données expérimentales en tant que signal perturbateur. "C'était une étude assez vaste, même pour le PSI et ses grandes installations de recherche", explique Klaus Kirch, professeur de physique expérimentale des particules à l'ETH et responsable de l'étude de 2005 à 2018. "Mais c'est précisément ce qui est nécessaire aujourd'hui si nous cherchons une physique au-delà du modèle standard".

Des mesures encore plus précises prévues

Comme dans les études précédentes, les chercheurs n'ont pas pu déterminer de valeur non nulle pour le nEDM. "Si le neutron a un moment dipolaire électrique, celui-ci est trop petit pour être mesuré avec nos instruments actuels", explique Kirch. Pour la physique au-delà du modèle standard, cela signifie qu'il est devenu moins probable que l'excès de matière dans l'univers puisse être expliqué par le moment dipolaire électrique du neutron. Mais cela n'est pas totalement exclu. C'est pourquoi les physiciens prévoient déjà la prochaine expérience, encore plus précise : la prochaine série de mesures, qui mesurera les neutrons avec encore plus de précision, devrait débuter en 2021.

Ce texte a été rédigé sur la base d'un communiqué de presse du page externeInstitut Paul Scherrer créé.