Dans cette représentation d'artiste, un électron tourne autour du noyau d'un atome, tournant autour de son axe alors qu'un nuage d'autres particules subatomiques est constamment émis et réabsorbé. Plusieurs hypothèses prédisent les particules, pas encore détecté, ferait apparaître le nuage légèrement en forme de poire. Les chercheurs de l'ACME ont scruté la forme avec une précision extrême. Aux limites de leur expérience, ils ont vu une sphère parfaitement ronde, ce qui implique que certains types de nouvelles particules - s'ils existent - ont des propriétés différentes de celles attendues par les théoriciens. Crédit :Nicolle R. Fuller, Fondation nationale de la science
Dans une nouvelle étude, chercheurs de Northwestern, Les universités de Harvard et de Yale ont examiné la forme de la charge d'un électron avec une précision sans précédent pour confirmer qu'elle est parfaitement sphérique. Une charge légèrement écrasée aurait pu indiquer inconnu, particules lourdes difficiles à détecter en présence de l'électron, une découverte qui aurait pu bouleverser la communauté mondiale de la physique.
"Si nous avions découvert que la forme n'était pas ronde, ce serait le plus gros titre en physique au cours des dernières décennies, " a déclaré Gerald Gabrielse, qui a dirigé la recherche à Northwestern. "Mais notre découverte est toujours aussi importante sur le plan scientifique car elle renforce le modèle standard de la physique des particules et exclut les modèles alternatifs."
L'étude sera publiée le 18 octobre dans la revue La nature . En plus de Gabrielse, la recherche a été dirigée par John Doyle, le professeur Henry B. Silsbee de physique à Harvard, et David DeMille, professeur de physique à Yale. Le trio dirige la recherche de moment dipolaire électrique Advanced Cold Molecule Electron (ACME) financée par la National Science Foundation (NSF).
Le modèle standard de qualité inférieure
Une théorie de longue date, le modèle standard de la physique des particules décrit la plupart des forces et particules fondamentales de l'univers. Le modèle est une image mathématique de la réalité, et aucune expérience de laboratoire encore effectuée ne l'a contredit.
Cette absence de contradiction intrigue les physiciens depuis des décennies.
"Le modèle standard tel qu'il se présente ne peut pas être juste parce qu'il ne peut pas prédire pourquoi l'univers existe, " dit Gabrielse, le conseil d'administration professeur de physique à Northwestern. "C'est une assez grosse échappatoire."
Gabrielse et ses collègues de l'ACME ont passé leur carrière à essayer de combler cette lacune en examinant les prédictions du modèle standard, puis en essayant de les confirmer grâce à des expériences sur table en laboratoire.
Tenter de "réparer" le modèle standard, de nombreux modèles alternatifs prédisent que la sphère apparemment uniforme d'un électron est en fait écrasée de manière asymétrique. Un tel modèle, appelé le modèle supersymétrique, postule que l'inconnu, les particules subatomiques lourdes influencent l'électron pour modifier sa forme parfaitement sphérique - un phénomène non prouvé appelé "moment dipolaire électrique". Ces inconnus, des particules plus lourdes pourraient être responsables de certains des mystères les plus criants de l'univers et pourraient peut-être expliquer pourquoi l'univers est fait de matière au lieu d'antimatière.
"Presque tous les modèles alternatifs disent que la charge électronique pourrait bien être écrasée, mais nous n'avons pas regardé avec assez de sensibilité, " dit Gabrielse, le directeur fondateur du nouveau Center for Fundamental Physics de Northwestern. "C'est pourquoi nous avons décidé de regarder là-bas avec une précision plus élevée que jamais réalisée auparavant."
Écraser les théories alternatives
L'équipe de l'ACME a sondé cette question en envoyant un faisceau de molécules d'oxyde de thorium froides dans une chambre de la taille d'un grand bureau. Les chercheurs ont ensuite étudié la lumière émise par les molécules. La lumière de torsion indiquerait un moment dipolaire électrique. Quand la lumière ne tournait pas, l'équipe de recherche a conclu que la forme de l'électron était, En réalité, tour, confirmant la prédiction du modèle standard. Aucune preuve d'un moment dipolaire électrique ne signifie aucune preuve de ces particules plus lourdes hypothétiques. Si ces particules existent, leurs propriétés diffèrent de celles prédites par les théoriciens.
"Notre résultat indique à la communauté scientifique que nous devons repenser sérieusement certaines des théories alternatives, " a déclaré DeMille.
En 2014, l'équipe ACME a effectué la même mesure avec un appareil plus simple. En utilisant des méthodes laser améliorées et différentes fréquences laser, l'expérience actuelle était d'un ordre de grandeur plus sensible que son prédécesseur.
"Si un électron avait la taille de la Terre, nous pourrions détecter si le centre de la Terre était éloigné d'une distance un million de fois plus petite qu'un cheveu humain, " expliqua Gabrielse. " C'est à quel point notre appareil est sensible. "
Gabrielse, DeMille, Doyle et ses équipes prévoient de continuer à régler leur instrument pour effectuer des mesures de plus en plus précises. Jusqu'à ce que les chercheurs trouvent des preuves du contraire, la forme ronde de l'électron – et les mystères de l'univers – demeureront.
"Nous savons que le modèle standard est faux, mais nous ne pouvons pas sembler trouver où c'est mal. C'est comme un énorme roman policier, " a déclaré Gabrielse. mais j'ai beaucoup d'espoir que nous nous rapprochions de ce niveau de précision."
