Le déséquilibre matière-antimatière est l’une des énigmes majeures de la cosmologie moderne et représente donc un domaine de recherche très actif au sein de la communauté scientifique. En effet, le modèle du Big Bang prévoit que matière et antimatière ont été créées en quantités identiques lors des premiers instants de l’univers. Par la suite, via un mécanisme encore inconnu, l’antimatière a disparu, cédant sa place à la matière qui compose aujourd’hui notre univers.

Ces dernières années, les physiciens ont développé diverses hypothèses tentant d’expliquer le phénomène à l’origine de cette asymétrie. L’une de ces hypothèses s’attache à la forme de l’électron, et plus précisément à la présence ou non d’un moment électrique dipolaire (MED). Si un tel MED existe, cela aurait alors une conséquence directe sur le Modèle Standard, ce qui pourrait expliquer la disparition de l’antimatière.

Forme de l’électron et moment électrique dipolaire

Le moment dipolaire électrique d’un système (une particule par exemple) est la mesure de la distribution des charges électriques positives et négatives dans ce système ; cela revient ainsi à mesurer sa polarité. Le Modèle Standard prévoit une distribution homogène des charges au sein de l’électron et du neutron, et donc un moment dipolaire électrique nul.

Pour autant, les physiciens pensent que ce n’est peut-être pas le cas ; c’est pourquoi un certain nombre d’expériences actuelles tentent de mesurer avec précision le moment dipolaire électrique de l’électron et du neutron. La motivation des chercheurs tient dans le fait qu’un MED non-nul entraînerait d’importantes conséquences en physique des particules.

Tout d’abord, dans le cas de l’électron, un MED non-nul impliquerait une distribution inhomogène de la charge négative, formant à l’intérieur de l’électron une région « plus négative » et une région « moins négative ». Une telle répartition asymétrique déformerait l’électron, lui faisant perdre sa forme sphérique et lui faisant adopter une forme « d’œuf écrasé ».

forme electron med non nul

Illustration montrant la forme de l’électron dans le cas d’un MED non-nul. D’après les dernières expériences de mesures menées par la collaboration ACME, la taille de la déformation ne peut dépasser 10-27 mm. Crédits : sciencemag.org

Depuis les 30 dernières années, les physiciens ont réussi à contraindre expérimentalement les dimensions de cette déformation. Selon les données recueillies, s’il existe une déformation dans la forme de l’électron, la taille de celle-ci est nécessairement inférieure à 10-27 mm (1). Une déformation aussi infime explique en partie la raison pour laquelle les physiciens n’ont toujours pas réussi à mesurer un MED non-nul avec les technologies actuelles.

Moment dipolaire électrique non-nul : quelles conséquences pour le Modèle Standard ?

Dans le cas de l’électron (mais aussi du neutron), un moment dipolaire électrique non-nul conduirait à un bouleversement du Modèle Standard des particules et offrirait ainsi potentiellement une explication au déséquilibre matière-antimatière. En effet, un MED non-nul entraîne la violation de deux symétries fondamentales.

Tout d’abord, une violation de la symétrie de parité (symétrie P), c’est-à-dire la symétrie laissant toute théorie inchangée sous une inversion d’espace. En d’autres mots, une théorie reste la même lorsque l’on passe des coordonnées x, y, z aux coordonnées -x, -y, -z. Ensuite, une violation de la symétrie temporelle (symétrie T), c’est-à-dire la symétrie laissant toute théorie inchangée sous une inversion du temps (en passant de T à -T).

Plus précisément, avec un MED non-nul, une inversion de temps changerait la direction du moment dipolaire magnétique (le spin) de l’électron tandis que son MED resterait inchangé. Ces deux caractéristiques ne seraient ainsi plus « en phase » l’une avec l’autre. La violation des symétries P et T dans ce contexte impliquerait une modification nécessaire du Modèle Standard afin d’y ajouter bien plus de particules élémentaires qu’il n’en prévoit actuellement.

violation symétrie t med non nul

Image montrant la violation de la symétrie T dans le cas d’un MED non-nul. Sous une inversion de temps, le spin de l’électron change alors que le MED reste inchangé. Crédits : www.phy.anl.gov)

La présence d’un MED non-nul de l’électron, et les violations des symétries afférentes, offre dès lors une explication concrète à l’asymétrie matière-antimatière. Premièrement, dans le cas où l’électron aurait un MED non-nul tandis que le positron présenterait, lui, un MED parfaitement nul, cette différence entre les deux particules permettrait d’expliquer comment la matière a « vaincu » l’antimatière.

Secondairement, l’ajout massif de nouvelles particules élémentaires dans le Modèle Standard permettrait là aussi d’expliquer la disparition de l’antimatière, dans le cas où le nombre de particules de matière ajoutées serait supérieur à celui de particules d’antimatière.

Une nouvelle méthode permettant de déterminer précisément la forme de l’électron

Si l’électron possède un MED non-nul, alors il devrait présenter un mouvement de rotation une fois placé dans un champ électrique. Il suffirait alors de le placer entre deux électrodes, de générer un champ électrique et de l’observer. Cependant, dans une telle expérience, l’électron se collerait à l’électrode positive avant même de commencer à tourner.

Pour contourner ce problème, les physiciens étudient généralement les électrons à l’intérieur d’atomes ou de molécules neutres dans lesquels les champs permettent de stabiliser les électrons. Les physiciens traquent ainsi les rayonnements que peuvent émettre les atomes et les molécules car ces rayonnements prouveraient l’existence d’un mouvement de rotation des électrons et donc d’un MED non-nul. Mais dans la plupart des cas, le rayonnement est émis sur une période bien trop courte pour effectuer une mesure précise.

schema dispositif mesure pression spin

Schéma décrivant le dispositif utilisé pour mesurer la précession du spin des électrons à l’aide de molécules neutres. Les électrons des molécules sont stabilisés entre les deux plaques par un champ électrique tandis que le spin (petites flèches rouges) est mesurée. Crédits : Harvard University

Dans une étude récente publiée dans le journal Physical Review Letters (2), une équipe de physiciens du JILA (Joint Institute for Laboratory Astrophysics) dirigée par Eric Cornell propose une nouvelle méthode permettant d’étudier les électrons sur une période de temps plus longue que les expériences précédentes.

Pour ce faire, les auteurs ont confiné des ions moléculaires de fluorure d’hafnium à l’intérieur d’un champ électrique en rotation, permettant de stabiliser les ions et donc les électrons. Ils ont ainsi pu étudier la précession (changement progressif de l’axe de rotation) du spin des électrons pendant 0.7 secondes, soit 1000 fois plus longtemps que l’ancienne technique utilisant les rayonnements.

Cette nouvelle technique n’a toutefois pas permis d’augmenter drastiquement la précision déjà établie sur la forme de l’électron. Les auteurs ont ‘simplement’ pu poser une contrainte de 1.3×10-28 cm sur les dimensions maximum de la déformation de l’électron en cas de MED non-nul. Néanmoins, les physiciens ont déjà commencé de nouvelles expériences impliquant des champs électriques plus puissants et des lasers afin d’augmenter la précision de mesure de 10 à 1000 fois dans les cinq années à venir.

Sources : ScienceMag (1), Physical Review Letters (2)

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