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    Le miroir brisé :la violation de la parité dans les molécules peut-elle enfin être mesurée ?

    Illustration schématique de la violation de la parité dans une molécule contenant deux spins nucléaires. Crédit :Dr John W. Blanchard

    Les scientifiques tentent depuis longtemps de démontrer expérimentalement une certaine propriété de symétrie de l'interaction faible - la violation de la parité - dans les molécules. Jusque là, cela n'a pas été possible. Un nouvel effort interdisciplinaire dirigé par un groupe de recherche du PRISMA+ Cluster of Excellence de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) et de l'Institut Helmholtz de Mayence (HIM) a maintenant montré une voie réaliste pour démontrer ce phénomène. L'approche comprend des aspects nucléaires, particule élémentaire, physique atomique et moléculaire ainsi que la résonance magnétique nucléaire (RMN). « La non-conservation de la parité moléculaire dans les couplages de spin nucléaire » est publiée dans le numéro actuel de la revue Physical Review Research.

    Les symétries sont omniprésentes, dans l'espace comme dans le monde des molécules, atomes et particules élémentaires. Les quatre forces fondamentales (électromagnétisme, la gravité, et les forces nucléaires fortes et faibles) obéissent aussi à certaines, peut-être apparemment abstrait, symétries. Du Big Bang à nos jours, les symétries existantes ont été brisées à plusieurs reprises. La symétrie et la brisure de symétrie se reflètent nécessairement dans les processus et états physiques que nous pouvons observer.

    L'une de ces symétries est la symétrie miroir (symétrie par rapport à la réflexion dans l'espace) - si elle est brisée, les chercheurs parlent de violation de la parité. Selon les connaissances actuelles, l'interaction faible est la seule parmi les quatre forces fondamentales qui n'apparaît pas symétrique :ce n'est que dans les processus soumis à cette interaction que des violations de parité se produisent. "Comme l'interaction faible ne joue presque aucun rôle dans notre expérience quotidienne - la gravité et l'électromagnétisme dominent ici - le phénomène de violation de la parité contredit notre idée normale et est donc difficile à saisir, " dit le Dr John Blanchard, auteur principal de l'étude. "La violation de la parité dans l'interaction faible n'a donc été théoriquement prédite que dans les années 1950 et a été découverte peu de temps après dans certaines désintégrations de particules nucléaires et élémentaires. Les processus de violation de la parité n'ont jamais été détectés dans les molécules, bien que les calculs théoriques prédisent qu'ils devraient être là. La preuve définitive de ces effets subtils est, pour ainsi dire, un Saint Graal de la physique de mesure de précision."

    De nombreuses tentatives ont été faites pour observer expérimentalement les effets de la violation de la parité dans les molécules. Un exemple est l'interaction des spins de différents noyaux atomiques dans une molécule. À son tour, ceux-ci peuvent en principe être détectés et analysés en utilisant des méthodes de résonance magnétique nucléaire (RMN). Alors que l'équipe de scientifiques a déjà développé une approche prometteuse des molécules chirales dans un précédent travail (doi.org/10.1103/PhysRevA.96.042119), leur publication actuelle se concentre sur des molécules simples constituées d'aussi peu que deux atomes. Tout d'abord, ils identifient une variable de mesure RMN particulière (un couplage spin-spin spécifique) à partir de laquelle la violation de parité est montrée et réalisent des analyses théoriques complexes pour calculer l'effet attendu au sein de la molécule. Ces calculs ont été réalisés en étroite collaboration avec le co-auteur de l'étude, Le professeur Mikhail G. Kozlov de l'Institut de physique nucléaire de Saint-Pétersbourg, Russie, avec qui le groupe de Mayence travaille avec beaucoup de succès depuis de nombreuses années.

    En s'appuyant sur cela, les scientifiques proposent une expérience spéciale qui devrait être suffisamment sensible pour détecter les signaux calculés :« La méthode RMN dite ZULF (zero to ultra-low field) est une technique exotique que nous utilisions déjà avec succès pour la matière noire " explique le Prof. Dr. Dmitry Budker, également auteur de l'étude. "Il offre un système dans lequel les spins nucléaires interagissent plus entre eux qu'avec un champ magnétique externe. De cette façon, il permet la mesure directe de couplages spin-spin antisymétriques, qui sont coupés dans les expériences conventionnelles de RMN à champ élevé."

    "Nos résultats montrent une manière élégante d'étudier quantitativement l'interaction faible dans les molécules et les noyaux atomiques, " conclut le Dr Blanchard. " Les résultats de notre étude de faisabilité sont très prometteurs - nous espérons avoir bientôt une vérification expérimentale de la non-conservation de la parité moléculaire. "


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