Les physiciens mesurent avec précision le moment dipolaire électrique des neutrons Physique

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Dans un article publié dans la revue Physical Review Lettersune équipe internationale de physiciens présente la mesure la plus précise jamais réalisée du moment dipolaire électrique du neutron, une particule subatomique présente dans le noyau de tous les atomes à l’exception de celui de l’hydrogène. Leurs résultats montrent que le neutron a un moment dipolaire électrique beaucoup plus faible que celui prédit par les diverses théories sur la raison pour laquelle la matière demeure dans l’Univers.

Abel et al présentent le résultat d'une expérience visant à mesurer le moment dipolaire électrique du neutron à l'Institut Paul Scherrer en utilisant la méthode de Ramsey de champs magnétiques oscillants séparés avec des neutrons ultra-froids. Crédit image : Gerd Altmann.

Abel et al présentent le résultat d’une expérience visant à mesurer le moment dipolaire électrique du neutron à l’Institut Paul Scherrer en utilisant la méthode de Ramsey de champs magnétiques oscillants séparés avec des neutrons ultrafroids. Crédit image : Gerd Altmann.

“Après plus de deux décennies de travail par des chercheurs de l’Université du Sussex et d’ailleurs, un résultat final a émergé d’une expérience conçue pour résoudre l’un des problèmes les plus profonds de la cosmologie de ces cinquante dernières années : à savoir, la question de savoir pourquoi l’Univers contient tellement plus de matière que d’antimatière, et, en fait, pourquoi il contient maintenant de la matière tout court. Pourquoi l’antimatière n’a-t-elle pas annulé toute la matière ? Pourquoi reste-t-il de la matière ?”, a déclaré le professeur Philip Harris de l’université du Sussex.

“La réponse est liée à une asymétrie structurelle qui devrait apparaître dans les particules fondamentales comme les neutrons. C’est ce que nous avons cherché. Nous avons découvert que le moment de dipôle électrique est plus petit que ce que l’on croyait. Cela nous aide à écarter les théories sur la raison pour laquelle il reste de la matière – car les théories régissant les deux choses sont liées.”

“Nous avons établi un nouveau standard international pour la sensibilité de cette expérience. Ce que nous recherchons dans le neutron – l’asymétrie qui montre qu’il est positif à une extrémité et négatif à l’autre – est incroyablement minuscule.”

“Notre expérience a permis de mesurer cette asymétrie avec un tel degré de détail que si l’asymétrie pouvait être mise à l’échelle d’un ballon de football, alors un ballon de football mis à l’échelle de la même quantité remplirait l’Univers visible. “

L’expérience est une version améliorée de l’appareil conçu à l’origine par des chercheurs de l’Université du Sussex et du Rutherford Appleton Laboratory, et qui a détenu le record mondial de sensibilité sans interruption de 1999 à aujourd’hui.

“Notre expérience réunit des techniques issues de la physique atomique et de la physique nucléaire des basses énergies, notamment la magnétométrie optique à base de laser et la manipulation des spins quantiques”, a déclaré le Dr Clark Griffith de l’Université du Sussex.

“En utilisant ces outils multidisciplinaires pour mesurer les propriétés du neutron de manière extrêmement précise, nous sommes en mesure de sonder des questions pertinentes pour la physique des particules à haute énergie et la nature fondamentale des symétries sous-jacentes à l’Univers.”

Le moment de dipôle électrique que peut avoir un neutron est minuscule et donc extrêmement difficile à mesurer. Des mesures antérieures effectuées par d’autres chercheurs l’ont confirmé.

En particulier, l’équipe a dû se donner beaucoup de mal pour maintenir le champ magnétique local très constant pendant leur dernière mesure.

Par exemple, chaque camion qui passait sur la route à côté de l’institut perturbait le champ magnétique à une échelle qui aurait été significative pour l’expérience, et cet effet a dû être compensé pendant la mesure.

De plus, le nombre de neutrons observés devait être suffisamment important pour permettre de mesurer le moment dipolaire électrique. Les mesures se sont déroulées sur une période de deux ans. Des neutrons dits ultrafroids, c’est-à-dire des neutrons dont la vitesse est relativement lente, ont été mesurés.

Toutes les 300 secondes, un paquet de plus de 10.000 neutrons était dirigé vers l’expérience et examiné en détail.

Les chercheurs ont mesuré un total de 50.000 de ces paquets.

Ils ont trouvé que la valeur du moment dipolaire électrique des neutrons était de dn=(0.0±1.1stat±0.2sys)*10-26e.cm.

“Les résultats ont confirmé et amélioré ceux de leurs prédécesseurs : une nouvelle norme internationale a été établie”, ont-ils déclaré.

“La taille du moment dipolaire électrique est encore trop petite pour être mesurée avec les instruments utilisés jusqu’à présent, de sorte que certaines théories qui tentaient d’expliquer l’excès de matière sont devenues moins probables”. Le mystèrereste donc, pour l’instant.”

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