La « rondeur » parfaite de l’électron vient d’être confirmée par le biais d’une mesure dont la précision est sans précédent. Bien qu’attendue, cette mesure soulève de nouvelles questions sur l’asymétrie matière-antimatière de l’Univers. Les implications de cette étude sont considérables, car elles pourraient éventuellement nous aider à comprendre pourquoi l’Univers est dominé par la matière plutôt que par l’antimatière.
Dans le monde infiniment petit de la physique quantique, chaque particule, chaque interaction compte. Les électrons, ces particules subatomiques omniprésentes, sont au cœur de la compréhension de l’Univers. Leur comportement et leurs caractéristiques sont scrutés avec une précision extrême, car ils pourraient détenir des indices sur certains des plus grands mystères de la physique. L’un de ces mystères est l’asymétrie matière-antimatière de l’Univers, une énigme qui défie les scientifiques depuis des décennies.
L’électron a toujours été considéré comme parfaitement rond. Cependant, des mesures récentes ont confirmé cette rondeur à un niveau de précision record, plongeant les physiciens dans une énigme encore plus profonde. Pourquoi cette rondeur est-elle si importante ? Les implications de cette recherche, réalisée par une équipe internationale de chercheurs dirigée par le Dr Jacob Baron du National Institute of Standards and Technology (NIST) aux États-Unis, sont vastes, car elles pourraient éventuellement nous aider à comprendre pourquoi l’Univers est dominé par la matière plutôt que par l’antimatière. Les travaux de l’équipe sont publiés dans la revue Science.
Asymétrie matière-antimatière : un mystère persistant
Selon les théories cosmologiques actuelles, le Big Bang, cette explosion primordiale à l’origine de l’Univers tel que nous le connaissons, aurait dû produire une quantité égale de matière et d’antimatière. L’antimatière est, en quelque sorte, le reflet de la matière : chaque particule de matière a un correspondant d’antimatière avec une charge opposée. Lorsque la matière et l’antimatière se rencontrent, elles s’annihilent mutuellement, produisant de l’énergie.
Cependant, ce que nous observons dans l’Univers contredit cette prédiction. L’Univers, tel que nous le connaissons, est dominé par la matière. Les galaxies, les étoiles, les planètes, et nous-mêmes, sommes tous faits de matière. L’antimatière, bien qu’elle soit produite dans certaines réactions nucléaires et dans les accélérateurs de particules, est étonnamment absente à grande échelle dans l’Univers. Cette prédominance de la matière sur l’antimatière est ce que les physiciens appellent l’asymétrie matière-antimatière, et c’est l’un des plus grands mystères non résolus de la physique.
La rondeur de l’électron, une clé potentielle
Pour tenter de résoudre ce mystère, les scientifiques se sont tournés vers le monde des particules subatomiques, et plus précisément vers l’électron. L’électron est une particule élémentaire qui possède une charge négative et qui tourne autour du noyau des atomes. Depuis longtemps, on pense que l’électron est parfaitement rond, c’est-à-dire que sa charge est répartie de manière uniforme tout autour de lui.
Cependant, si l’électron n’était pas parfaitement rond, mais légèrement ovale ou déformé, cela pourrait indiquer une asymétrie dans les lois de la nature elles-mêmes. Cette asymétrie pourrait se manifester sous la forme d’une distribution inégale de la charge de l’électron, avec une légère prédominance d’un côté par rapport à l’autre. Si une telle asymétrie existait, elle pourrait potentiellement expliquer pourquoi le Big Bang a produit plus de matière que d’antimatière, conduisant à l’Univers dominé par la matière que nous observons aujourd’hui.
Mesurer la rondeur par la rotation
Pour sonder la forme de l’électron, l’équipe de recherche a mis en œuvre une méthode expérimentale sophistiquée. Les scientifiques ont utilisé des molécules de fluorure de hafnium, une substance qui a la particularité d’avoir un électron très éloigné de son noyau, ce qui le rend plus sensible aux effets potentiels d’une distribution inégale de la charge. Ces molécules étaient chargées électriquement et contenues dans une chambre à vide pour éviter toute interférence avec d’autres particules ou champs électromagnétiques.
Une fois les molécules de fluorure d’hafnium en place, les chercheurs ont appliqué un champ électrique et ont observé le comportement des électrons. Plus précisément, ils ont cherché à voir si les électrons pivotaient ou oscillaient dans ce champ électrique. En effet, si les électrons n’étaient pas parfaitement ronds, mais légèrement ovales ou déformés, un champ électrique les feraient pivoter, modifiant les niveaux d’énergie des molécules de fluorure de hafnium.
Cependant, malgré leur précision expérimentale, les chercheurs n’ont trouvé aucune différence dans ces niveaux d’énergie, quel que soit le champ électrique appliqué. Comme ils le soulignent dans un communiqué, cela démontre sans équivoque la rondeur parfaite des électrons.
Et maintenant ?
Cette confirmation de la rondeur de l’électron, bien que conforme aux attentes, a des implications profondes pour notre compréhension de l’Univers et de l’asymétrie matière-antimatière. Elle suggère que si une asymétrie dans les lois de la nature existe, elle doit se manifester d’une manière plus subtile que ce que nous pouvons actuellement détecter.
Notons que pour expliquer l’asymétrie matière-antimatière de l’Univers, certains physiciens théoriciens ont proposé l’existence de certaines particules subatomiques inconnues. Ces particules, si elles existent, pourraient avoir des propriétés qui auraient pu faire pencher la balance en faveur de la matière lors du Big Bang. Plus précisément, ces particules pourraient apparaître et disparaître autour de l’électron, un phénomène connu sous le nom de « fluctuations quantiques ».
Cependant, elles seraient si massives, et nécessiteraient donc tellement d’énergie à produire, qu’elles ne seraient pas détectables, même avec plus grand accélérateur de particules du monde, le Grand collisionneur de hadrons (LHC) près de Genève. C’est pourquoi les études de la rondeur de l’électron sont si importantes. Si ces particules existent et affectent la forme de l’électron, alors la mesure de sa rondeur pourrait être un moyen indirect mais efficace de détecter leur présence.
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