Une collaboration internationale de scientifiques du Laboratoire de symétries fondamentales d'Ulmer (FSL) de RIKEN, Johannes Gutenberg-Universität Mayence, Institut Max Planck de physique nucléaire, Heidelberg et GSI Darmstadt, ont utilisé des techniques de haute précision pour effectuer la mesure la plus précise à ce jour du moment magnétique du proton, trouvant qu'il s'agit de 2,79284734462 plus ou moins 0,00000000082 magnétons nucléaires, l'unité généralement utilisée pour mesurer cette propriété. Le moment magnétique, une propriété des particules qui donne lieu au magnétisme, est l'une des propriétés fondamentales du proton et est essentielle pour comprendre des propriétés telles que la structure des atomes.

Un travail minutieux a été nécessaire pour réaliser ces mesures inédites, qui ont une précision meilleure qu'une partie par milliard. D'abord, les chercheurs ont dû isoler un seul proton, pas deux ou trois, dans le piège. Ils l'ont fait 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 plus qu'un.

La clé de la formidable précision, cependant, était une combinaison d'ingénierie extrêmement difficile couplée à la capacité de transporter le proton entre deux pièges différents.

La méthode du groupe 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, appelées fréquence de Larmor (précession de spin) et fréquence cyclotron du proton dans un champ magnétique. Ceux-ci peuvent être utilisés pour trouver le moment magnétique. La fréquence cyclotron du proton peut être mesurée en utilisant ce qu'on appelle le théorème d'invariance de Brown-Gabrielse, tandis que la fréquence de Larmor peut être mesurée en entraînant des retournements de spin - en utilisant 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 être encore augmentée, cependant, en utilisant la méthode du double piège, où la fréquence cyclotron est mesurée et les transitions de spin sont induites dans un premier piège. Le proton est ensuite soigneusement transporté vers un deuxième 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 d'état de spin permet des mesures extrêmement précises.

Pour les expériences en cours, trois protons individuels ont été utilisés pour un total de 1, 264 cycles d'expérimentation, chacune prenant environ 90 minutes. L'ensemble de l'expérience a nécessité environ quatre mois, maintenance et recoupements systématiques compris.

Selon Georg Schneider, le premier auteur de l'article, « Pour avancer en physique des particules, nous avons besoin soit d'installations à haute énergie, soit de mesures super précises. Avec notre travail, nous prenons la deuxième route, 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, structure atomique."

Selon Andreas Mooser, deuxième auteur de l'étude et membre du RIKEN FSL, "Avoir hâte de, en utilisant cette technique, nous pourrons faire des mesures tout aussi précises de l'antiproton à l'expérience BASE au CERN, et cela nous permettra de chercher d'autres indices pour expliquer pourquoi il n'y a pas d'antimatière dans l'univers aujourd'hui."

L'ouvrage a été publié le 23 novembre dans Science .