Dans un article publié dans la revue Scienceune équipe de physiciens du Japon et d’Allemagne rapporte la mesure la plus précise jamais réalisée du moment magnétique du proton, permettant une comparaison fondamentale entre la matière et l’antimatière. Le nouveau résultat améliore d’un facteur 11 la précision de la mesure précédente, et est cohérent avec la valeur actuellement acceptée.
Le proton est une particule subatomique présente dans le noyau de chaque atome. Cette impression d’artiste montre un proton et un neutron. Crédit photo : Joanna Griffin / Jefferson Lab / Penn State.
Les protons sont des particules chargées positivement dans les noyaux atomiques. En plus d’une charge électrique, ils possèdent également un moment angulaire intrinsèque, le spin, qui leur confère un moment magnétique.
Bien que cette propriété fondamentale du proton n’ait pas d’implication directe pour la technologie actuelle, elle est en revanche d’une importance bien plus grande pour la compréhension des structures atomiques et pour tester précisément les symétries fondamentales de l’Univers, en particulier le déséquilibre entre matière et antimatière.
“Connaître les propriétés du proton telles que sa masse, sa durée de vie, sa charge, son rayon et son moment magnétique aussi précisément que possible est extrêmement important pour la physique”, a déclaré Andreas Mooser, chercheur postdoctoral au RIKEN au Japon.
“Les mesures de haute précision de toutes ces propriétés peuvent nous fournir les bases pour pouvoir étudier plus précisément les symétries fondamentales telles que la charge, la parité et la symétrie d’inversion du temps.”
Mooser et ses co-auteurs ont utilisé un double piège de Penning optimisé pour déterminer le moment magnétique d’un seul proton avec une précision de 0,3 partie par milliard.
La valeur actualisée 2.79284734462(82) est cohérente avec le moment magnétique de l’antiproton 2,7928473441(42), et soutient donc l’invariance combinée de la charge, de la parité et de l’inversion du temps (CPT), une symétrie importante du modèle standard de la physique des particules.
“Afin de mesurer le moment magnétique du proton, nous avons mis au point l’un des pièges de Penning les plus sensibles jamais créés”, a déclaré le Dr Georg Schneider, de l’Institut de physique de l’Université de Mayence, en Allemagne.
“Tout d’abord, nous devions isoler un seul proton dans le piège. Nous y sommes parvenus en détectant le signal thermique des ions coincés dans le piège, puis en utilisant un champ électrique pour les éliminer jusqu’à ce qu’il n’en reste qu’un seul”, ont déclaré les physiciens.
“La clé de l’énorme précision, cependant, était une combinaison d’ingénierie extrêmement difficile couplée à la capacité de faire la navette entre le proton et deux pièges différents.”
“Notre méthode pour mesurer directement le moment magnétique d’une particule est basée sur le fait qu’un proton dans un piège de Penning aligne son spin avec le champ magnétique du piège.”
“La méthode de base consiste à utiliser le détecteur pour mesurer deux fréquences : la fréquence de Larmor (récession du spin) et la fréquence cyclotron du proton dans un champ magnétique. Celles-ci peuvent être utilisées pour trouver le moment magnétique.”
“La fréquence cyclotron du proton peut être mesurée à l’aide de ce qu’on appelle le théorème d’invariance de Brown-Gabrielse, tandis que la fréquence de Larmor peut être mesurée en provoquant des retournements de spin – à l’aide d’un signal radiofréquence qui chauffe la particule – et en mesurant la probabilité d’un retournement de spin en fonction de la fréquence d’entraînement.”
“La précision déjà élevée de ces mesures peut cependant être renforcée en utilisant la méthode du double piège, où la fréquence du cyclotron est mesurée et les transitions de spin sont induites dans un premier piège.”
“Le proton est ensuite soigneusement transporté vers un second piège, où l’état de spin est détecté à l’aide d’une grande inhomogénéité magnétique – une bouteille magnétique.”
“La séparation spatiale de la mesure de fréquence de haute précision et de la détection de l’état de spin rend possible les mesures extrêmement précises.”
“Pour progresser en physique des particules, nous avons besoin soit d’installations à haute énergie, soit de mesures super précises”, a déclaré le Dr Schneider.
“Avec notre travail, nous empruntons la deuxième voie, et nous espérons à l’avenir faire des expériences similaires avec des antiprotons en utilisant la même technique. Cela nous permettra de mieux comprendre, par exemple, la structure atomique.”
