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Sur la piste de l’énigme de la matière
Des chercheurs à l’Institut Paul Scherrer PSI ont réussi à mesurer une propriété du neutron avec une précision inédite. Ils ont notamment découvert que cette particule élémentaire avait un moment dipolaire électrique nettement plus petit que ce qu’on imaginait jusqu’ici. Avec ce résultat, il est devenu moins probable que ce moment dipolaire puisse contribuer à expliquer l’origine de la matière qui existe aujourd’hui dans l’ensemble de l’univers. Les chercheurs ont obtenu ce résultat à l’aide de la source de neutrons ultra-froids du PSI. Ils le publient aujourd’hui dans la revue spécialisée Physical Review Letters.
Le Big Bang a vu l’apparition de la matière de l’univers, mais aussi de ce qu’on appelle l’antimatière. C’est du moins ce que postule la théorie dominante. Mais comme la matière et l’antimatière se détruisent mutuellement, cela signifie que la matière est apparue en excédent et que cet excédent perdure encore aujourd’hui. La cause de cet excédent de matière est l’une des grandes énigmes en physique et en astronomie. Des chercheurs espèrent découvrir un indice du phénomène sous-jacent, entre autres en se servant de neutrons, des particules de charge électrique nulle qui sont des composants élémentaires des atomes. Leur hypothèse est la suivante: si le neutron possède ce qu’on appelle un moment dipolaire électrique (nEDM) que l’on arrive à mesurer et qui s’avère différent de zéro, cela pourrait être dû au même principe physique permettant d’expliquer l’apparition d’un excédent de matière après le Big Bang.
50 000 mesures
En langage quotidien, la recherche du nEDM correspond à la question suivante: le neutron est-il ou n’est-il pas une boussole électrique? On sait en effet depuis longtemps que le neutron est une boussole magnétique qui réagit à un champ magnétique ou, pour utiliser un jargon de spécialiste, qu’il possède un moment dipolaire magnétique. Si le neutron devait également posséder en plus un moment dipolaire électrique, la valeur de ce dernier serait nettement inférieure et donc beaucoup plus difficile à mesurer. C’est ce qu’ont déjà montré des mesures menées par d’autres groupes de recherche. Lors de leur mesure actuelle, les chercheurs du PSI ont donc dû consentir beaucoup d’efforts pour assurer une grande stabilité du champ magnétique local. Chaque camion qui passait sur la grand-route à côté du PSI perturbait le champ magnétique dans un ordre de grandeur pertinent pour l’expérience et devait donc être déduit des données expérimentales.
Pour avoir une chance de mesurer le nEDM, il fallait aussi disposer d’un nombre important de neutrons observés. Les mesures au PSI ont donc été menées sur une durée de deux ans. Les neutrons mesurés étaient ce qu’on appelle des neutrons ultra-froids, autrement dit des neutrons comparativement lents. Toutes les 300 secondes, un paquet de 10 000 neutrons était dirigé vers l’expérience et mesuré. En tout, cette mesure a été répétée 50 000 fois.
«Même pour le PSI avec ses grandes installations de recherche, c’était une étude d’assez grande envergure, souligne Philipp Schmidt-Wellenburg, chercheur du PSI participant au projet. Mais c’est précisément ce dont on a besoin aujourd’hui dans la quête d’une physique au-delà du modèle standard.»
En quête d’une «nouvelle physique»
Le nouveau résultat a été mis en évidence par une coopération de chercheurs de 18 instituts et hautes écoles d’Europe et des Etats-Unis, dont l'ETH Zurich, l'Université de Berne et l'Université de Fribourg (Suisse). Ils avaient recueilli les données à la source de neutrons ultra-froids du PSI. Les chercheurs y ont collecté des données de mesure pendant deux ans, avant de se répartir en deux équipes pour les analyser très minutieusement et obtenir ainsi un résultat d’une précision inédite.
Le projet de recherche du nEDM s’inscrit dans la quête de ce qu’on appelle la «nouvelle physique au-delà du modèle standard». Cette quête a lieu aussi aux grandes installations de recherche comme le Large Hadron Collider LHC du CERN. «La recherche au CERN ratisse large et cherche de manière générale à identifier de nouvelles particules et leurs propriétés, explique Philipp Schmidt-Wellenburg. Alors que 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 de précision que le LHC mettrait peut-être 100 ans à obtenir.»
«En fin de compte, différentes observations cosmologiques montrent des écarts par rapport au modèle standard, ajoute Georg Bison, qui travaille comme Philipp Schmidt-Wellenburg au laboratoire de physique de particules du PSI. Mais en laboratoire, on n’a encore jamais réussi à les reproduire. C’est l’une des très grandes questions de la physique moderne et c’est ce qui rend notre travail si palpitant.»
Des mesures encore plus précises sont prévues
L’issue des toutes dernières recherches des scientifiques n’a pas été différente. «Notre résultat actuel a lui aussi fourni pour le nEDM une valeur proche de zéro, qui est trop faible pour que nous puissions la mesurer avec les instruments dont nous disposons aujourd’hui, relève Philipp Schmidt-Wellenburg. Avec ce résultat, la probabilité que le neutron permette d’expliquer l’excédent de matière s’est amenuisée. Mais elle n’est toujours pas complètement exclue. Et de toute façon, pour la science, il y a un intérêt à connaître la valeur précise du nEDM pour savoir s’il est possible de découvrir une nouvelle physique par ce biais.»
La prochaine mesure, qui sera encore plus précise, est donc déjà en préparation. «En 2010, quand nous avons mis en service ici, au PSI, la source de neutrons ultra-froids, nous savions déjà que l’expérience restante ne serait pas encore à la hauteur des possibilités de l’installation, reconnaît Georg Bison. C’est pourquoi nous sommes en train de monter une expérience de plus grande envergure qui, elle, le sera.» Les chercheurs du PSI prévoient de démarrer la nouvelle série de mesures du nEDM dès 2021 et de surpasser l’actuelle en termes de précision.
«Au cours des dernières années, nous avons accumulé de nombreux acquis que nous avons pu mettre à profit pour optimiser notre expérience, aussi bien du point de vue de notre source de neutrons que de la meilleure évaluation possible de données aussi complexes dans le domaine de la physique des particules, se réjouit Philipp Schmidt-Wellenburg. La publication actuelle a établi un nouveau standard au niveau international.»
Texte: Institut Paul Scherrer/Laura Hennemann
À propos du PSI
L'Institut Paul Scherrer PSI développe, construit et exploite des grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Les domaines de recherche de l'institut sont centrés sur la matière et les matériaux, l'énergie et l'environnement ainsi que la santé humaine. La formation des générations futures est un souci central du PSI. Pour cette raison, environ un quart de nos collaborateurs sont des postdocs, des doctorants ou des apprentis. Au total, le PSI emploie 2100 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d'environ CHF 407 millions. Le PSI fait partie du domaine des EPF, les autres membres étant l'ETH Zurich, l'EPF Lausanne, l'Eawag (Institut de Recherche de l'Eau), l'Empa (Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche) et le WSL (Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage). (Mise à jour: mai 2019)