Quelle est la forme d'un électron ? Si vous vous souvenez d'images de vos livres de sciences au lycée, la réponse semble assez claire :un électron est une petite boule de charge négative qui est plus petite qu'un atome. Cette, cependant, est assez loin de la vérité.

L'électron est communément connu comme l'un des principaux composants des atomes qui composent le monde qui nous entoure. Ce sont les électrons entourant le noyau de chaque atome qui déterminent le déroulement des réactions chimiques. Leurs utilisations dans l'industrie sont abondantes :de l'électronique et du soudage à l'imagerie et aux accélérateurs de particules avancés. Récemment, cependant, une expérience de physique appelée Advanced Cold Molecule Electron EDM (ACME) a ​​placé un électron au centre de la recherche scientifique. La question à laquelle la collaboration ACME a tenté de répondre était d'une simplicité trompeuse :quelle est la forme d'un électron ?

Formes classiques et quantiques ?

Pour autant que les physiciens le savent actuellement, les électrons n'ont pas de structure interne – et donc pas de forme au sens classique de ce mot. Dans le langage moderne de la physique des particules, qui aborde le comportement d'objets plus petits qu'un noyau atomique, les blocs fondamentaux de la matière sont des substances fluides continues connues sous le nom de "champs quantiques" qui imprègnent tout l'espace qui nous entoure. Dans cette langue, un électron est perçu comme un quantum, ou une particule, du "champ d'électrons". Sachant cela, est-il même logique de parler de la forme d'un électron si nous ne pouvons pas le voir directement dans un microscope - ou tout autre appareil optique d'ailleurs ?

Pour répondre à cette question, nous devons adapter notre définition de la forme afin qu'elle puisse être utilisée à des distances incroyablement petites, ou en d'autres termes, dans le domaine de la physique quantique. Voir différentes formes dans notre monde macroscopique, c'est vraiment détecter, avec nos yeux, les rayons de lumière rebondissant sur différents objets autour de nous.

Tout simplement, nous définissons les formes en voyant comment les objets réagissent lorsque nous les éclairons. Bien que cela puisse être une façon étrange de penser aux formes, il devient très utile dans le monde subatomique des particules quantiques. Cela nous donne un moyen de définir les propriétés d'un électron de telle sorte qu'elles imitent la façon dont nous décrivons les formes dans le monde classique.

Qu'est-ce qui remplace le concept de forme dans le monde micro? Puisque la lumière n'est rien d'autre qu'une combinaison de champs électriques et magnétiques oscillants, il serait utile de définir les propriétés quantiques d'un électron qui véhiculent des informations sur la façon dont il réagit aux champs électriques et magnétiques appliqués. Faisons cela.

Les électrons dans les champs électriques et magnétiques

Par exemple, considérons la propriété la plus simple d'un électron :sa charge électrique. Il décrit la force - et finalement, l'accélération que l'électron subirait – s'il était placé dans un champ électrique externe. Une réaction similaire serait attendue d'une bille chargée négativement - d'où l'analogie de la "boule chargée" d'un électron qui se trouve dans les livres de physique élémentaire. Cette propriété d'un électron – sa charge – survit dans le monde quantique.

De même, une autre propriété "survivante" d'un électron s'appelle le moment dipolaire magnétique. Il nous dit comment un électron réagirait à un champ magnétique. A cet égard, un électron se comporte comme un minuscule barreau magnétique, essayant de s'orienter dans la direction du champ magnétique. S'il est important de se rappeler de ne pas pousser ces analogies trop loin, ils nous aident à comprendre pourquoi les physiciens sont intéressés à mesurer ces propriétés quantiques aussi précisément que possible.

Quelle propriété quantique décrit la forme de l'électron ? Il y a, En réalité, plusieurs d'entre eux. Le plus simple - et le plus utile pour les physiciens - est celui qu'on appelle le moment dipolaire électrique, ou EDM.

En physique classique, L'EDM survient lorsqu'il y a une séparation spatiale des charges. Une sphère chargée électriquement, qui n'a pas de séparation de charges, a un EDM de zéro. Mais imaginez un haltère dont les poids sont chargés de manière opposée, avec un côté positif et l'autre négatif. Dans le monde macroscopique, cet haltère aurait un moment dipolaire électrique non nul. Si la forme d'un objet reflète la distribution de sa charge électrique, cela impliquerait également que la forme de l'objet devrait être différente de la forme sphérique. Ainsi, naïvement, l'EDM quantifierait "l'haltère" d'un objet macroscopique.

Moment dipolaire électrique dans le monde quantique

L'histoire de l'EDM, cependant, est très différent dans le monde quantique. Là, le vide autour d'un électron n'est pas vide et immobile. Au contraire, il est peuplé de diverses particules subatomiques passant à l'existence virtuelle pendant de courtes périodes de temps.

Ces particules virtuelles forment un "nuage" autour d'un électron. Si nous projetons de la lumière sur l'électron, une partie de la lumière pourrait rebondir sur les particules virtuelles dans le nuage au lieu de l'électron lui-même.

Cela modifierait les valeurs numériques de la charge de l'électron et des moments dipolaires magnétiques et électriques. Effectuer des mesures très précises de ces propriétés quantiques nous dirait comment ces particules virtuelles insaisissables se comportent lorsqu'elles interagissent avec l'électron et si elles altèrent l'EDM de l'électron.

Le plus intrigant, parmi ces particules virtuelles, il pourrait y avoir de nouvelles, des espèces inconnues de particules que nous n'avons pas encore rencontrées. Pour voir leur effet sur le moment dipolaire électrique de l'électron, nous devons comparer le résultat de la mesure aux prédictions théoriques de la taille de l'EDM calculées dans la théorie actuellement acceptée de l'Univers, le modèle standard.

Jusque là, le modèle standard décrit avec précision toutes les mesures de laboratoire qui ont déjà été effectuées. Encore, il est incapable de répondre à bon nombre des questions les plus fondamentales, comme pourquoi la matière domine sur l'antimatière dans tout l'univers. Le modèle standard fait également une prédiction pour l'EDM de l'électron :il exige qu'il soit si petit que l'ACME n'aurait eu aucune chance de le mesurer. Mais que se serait-il passé si ACME avait effectivement détecté une valeur non nulle pour le moment dipolaire électrique de l'électron ?

Boucher les trous dans le modèle standard

Des modèles théoriques ont été proposés pour corriger les lacunes du modèle standard, prédire l'existence de nouvelles particules lourdes. Ces modèles pourraient combler les lacunes de notre compréhension de l'univers. Pour vérifier de tels modèles, nous devons prouver l'existence de ces nouvelles particules lourdes. Cela pourrait être fait par de grandes expériences, comme celles du Grand collisionneur de hadrons (LHC) international en produisant directement de nouvelles particules lors de collisions à haute énergie.

Alternativement, nous avons pu voir comment ces nouvelles particules modifient la distribution des charges dans le "nuage" et leur effet sur l'EDM des électrons. Ainsi, l'observation sans ambiguïté du moment dipolaire de l'électron dans l'expérience ACME prouverait que de nouvelles particules sont en fait présentes. C'était l'objectif de l'expérience ACME.

C'est la raison pour laquelle un récent article de Nature sur l'électron a attiré mon attention. Des théoriciens comme moi utilisent les résultats des mesures de l'EDM des électrons – ainsi que d'autres mesures des propriétés d'autres particules élémentaires – pour aider à identifier les nouvelles particules et faire des prédictions sur la façon dont elles peuvent être mieux étudiées. Ceci est fait pour clarifier le rôle de ces particules dans notre compréhension actuelle de l'univers.

Que faut-il faire pour mesurer le moment dipolaire électrique ? Nous devons trouver une source de champ électrique très puissant pour tester la réaction d'un électron. Une source possible de tels champs peut être trouvée à l'intérieur de molécules telles que le monoxyde de thorium. C'est la molécule qu'ACME a utilisée dans son expérience. Faisant briller des lasers soigneusement réglés sur ces molécules, une lecture du moment dipolaire électrique d'un électron pourrait être obtenue, à condition qu'il ne soit pas trop petit.

Cependant, comme ça s'est apparu, il est. Les physiciens de la collaboration ACME n'ont pas observé le moment dipolaire électrique d'un électron, ce qui suggère que sa valeur est trop petite pour que leur appareil expérimental puisse le détecter. Ce fait a des implications importantes pour notre compréhension de ce que nous pourrions attendre des expériences du Grand collisionneur de hadrons à l'avenir.

De façon intéressante, le fait que la collaboration ACME n'ait pas observé d'EDM exclut en fait l'existence de nouvelles particules lourdes qui auraient pu être les plus faciles à détecter au LHC. Il s'agit d'un résultat remarquable pour une expérience de la taille d'une table qui affecte à la fois la façon dont nous planifierions les recherches directes de nouvelles particules dans le grand collisionneur de hadrons géant, et comment nous construisons des théories qui décrivent la nature. Il est assez étonnant qu'étudier quelque chose d'aussi petit qu'un électron puisse nous en dire beaucoup sur l'univers.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.