Expérience nEDM: percer le mystère de l'antimatière

Publié par Redbran le 29/02/2020 à 14:00
Source: CNRS IN2P3
L'expérience nEDM repousse les limites de la précision pour percer le mystère de l'antimatière

La collaboration nEDM vient de publier une mesure d'une précision record du moment dipolaire électrique du neutron. Si ce moment n'a pas encore été détecté, les récentes analyses de l'expérience menée au Paul Scherrer Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) près de Zurich, ouvrent la voie à une expérience de nouvelle génération dont le démarrage est prévu en 2022. Ces mesures de haute précision, pour lesquelles les chercheurs de l'IN2P3 (L'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) est un institut de...) apportent des contributions majeures, sont complémentaires de celles effectuées au LHC et permettront peut-être de résoudre la grande énigme de l'asymétrie (L'asymétrie est l’absence de symétrie, ou son inverse. Dans la nature, les crabes...) entre matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) et antimatière (L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière...) dans l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.).


Le détecteur nEDM. Image: Paul Scherrer Institut

Le neutron (Le neutron est une particule subatomique de charge électrique totale nulle.) est-il une "boussole (Une boussole est un instrument de navigation constitué d’une aiguille...) électrique" ? La question n'est pas encore tranchée mais le résultat fera date. "Nous publions aujourd'hui la meilleure mesure mondiale du moment dipolaire du neutron," explique Guillaume (Guillaume est un prénom masculin d'origine germanique. Le nom vient de Wille, volonté et Helm,...) Pignol, co-responsable de l'expérience nEDM - pour neutron electric dipole moment - et enseignant-chercheur au LPSC. Les neutrons sont censés être des particules de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) nulle, mais l'existence d'un moment dipolaire électrique est suspectée depuis plus de 60 ans car étant composé de particules chargées, le neutron n'est pas uniformément neutre. Cette propriété, si elle était démontrée, serait une empreinte d'un mécanisme à l'origine de l'asymétrie matière-antimatière, qui s'observe par l'absence d'antimatière dans notre Univers. nEDM s'inscrit dans la quête de ce qu'on appelle la "nouvelle physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) au-delà du modèle standard", qui motive la communauté de physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants...) sur de nombreuses expériences dont celles du LHC au CERN.

Le neutron est une "boussole magnétique". C'est à dire que son spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...) tourne (ou précesse) dans un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...). Si cet effet bien connu est utilisé quotidiennement en imagerie médicale (L'imagerie médicale regroupe les moyens d'acquisition et de restitution d'images à partir...), le même effet électrique - quoique autorisé théoriquement - n'a jamais été encore observé. L'effet magnétique étant dominant, le défi de l'expérience nEDM est de mesurer une très faible modification de la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) de rotation du spin du neutron en appliquant un champ électrique (En physique, on désigne par champ électrique un champ créé par des particules...) dans une direction puis dans la direction opposée. Cette mesure de haute précision suppose de disposer d'un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique stable, uniforme et parfaitement connu. Pour étudier les neutrons pendant le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) le plus long possible (en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...) 3 minutes), les scientifiques utilisent un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) de neutrons ultrafroids (leur vitesse (On distingue :) est inférieure à 5 m/s) produit au Paul Scherrer Institut (PSI) à partir d'un faisceau de protons. À chaque cycle de mesure, le faisceau produit des neutrons qui sont dirigés vers l'expérience, exposés au champ électrique, puis comptés. En tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...), les chercheurs ont enregistré 50 000 cycles et compté plus de 500 millions de neutrons.


Yoann Kermaidic (anciennement LPSC), Guillaume Pignol (LPSC), Stéphanie Roccia (anciennement IJCLab), Dominique Rebreyend (LPSC), Thomas Lefort (LPCC) chercheurs dans l'expérience nEDM photographiés devant l'expérience nEDM à PSI, Zurich.
Image: Crédit Paul Scherrer Institut

Les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) prises entre 2015-2016 ont été analysées pour la première fois en mode "caché" jusqu'à l'automne (L'automne est l'une des quatre saisons des zones tempérées. Elle se place entre l'été et...) 2019. Cette méthode, appelée "blinding" consiste à introduire une fausse déviation à zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr,...) afin de ne pas biaiser l'interprétation des résultats lors de l'élaboration des méthodes d'analyse. Les scientifiques de nEDM ont ensuite repris leurs calculs avec les "vraies" données. Leur mesure donne finalement un moment dipolaire électrique nul, avec une incertitude statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon....) de 1,1.10^-26 e cm (électron centimètre) et une incertitude systématique (En sciences de la vie et en histoire naturelle, la systématique est la science qui a pour...) de 0,2.10-26 e cm. Cette dernière incertitude, cinq fois meilleure que celle obtenue lors des expériences précédentes démontre la très bonne connaissance du dispositif expérimental, sans cesse amélioré depuis les années 80. Ce résultat, qui établit un nouveau standard international, permet d'envisager une nette (Le terme Nette est un nom vernaculaire attribué en français à plusieurs espèces...) amélioration dans la version suivante de l'expérience, appelée n2EDM.

Toute déviation à zéro, aussi faible soit elle, serait une découverte majeure en physique des particules, car elle impliquerait l'existence de particules lourdes, non détectables aujourd'hui dans les expériences sur accélérateur. "La recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) au CERN ratisse large et cherche de manière générale à identifier de nouvelles particules et leurs propriétés", explique Philipp Schmidt-Wellenburg, co-responsable de l'expérience et chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) à PSI. "De notre côté, nous allons en profondeur en scrutant une seule propriété d'une seule particule, le neutron. Mais nous atteignons sur ce détail un degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines...) de précision que le LHC mettrait peut-être 100 ans à obtenir."

nEDM est une collaboration scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) d'une cinquantaine de membres qui a bénéficié de contributions majeures de la part des scientifiques IN2P3. Le LPC de Caen a notamment conçu le détecteur de neutrons de l'expérience, un élément clé du dispositif de mesure. Le LPSC a été responsable, entre autres, du magnétomètre (Un magnétomètre est un appareil qui sert à mesurer l'aimantation d'un système. Il en existe...) atomique qui permet un grand contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) du champ magnétique appliqué. Les scientifiques du LPCC, LPSC et du CSNSM (aujourd'hui IJCLab) ont pris part à l'analyse des données (L’analyse des données est un sous domaine des statistiques qui se préoccupe de la...). L'IN2P3 est engagé fortement dans l'expérience de nouvelle génération n2EDM qui devrait démarrer en 2022 pour s'achever en 2027.

en savoir plus:
Communiqué de presse (Un communiqué de presse est un document court envoyé aux journalistes dans le but de couvrir un...) de PSI
Measurement of the permanent electric dipole moment of the neutron
C. Abel et al.
Physical Review Letters 28 February 2020.
Abstract preprint
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