Des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI ont mesuré une propriété du neutron plus précisément que jamais. Au cours du processus, ils ont découvert que la particule élémentaire a un moment dipolaire électrique significativement plus petit qu'on ne le supposait auparavant. Avec ça, il est également devenu moins probable que ce moment dipolaire puisse aider à expliquer l'origine de toute la matière dans l'univers. Les chercheurs ont obtenu ce résultat en utilisant la source de neutrons ultrafroids du PSI. Ils rapportent leurs résultats aujourd'hui dans le journal Lettres d'examen physique .

Le Big Bang a créé à la fois la matière dans l'univers et l'antimatière, du moins selon la théorie établie. Puisque les deux s'annihilent mutuellement, cependant, il devait y avoir un surplus de matière, qui est resté à ce jour. La cause de cet excès de matière est un des grands mystères de la physique et de l'astronomie. Les chercheurs espèrent trouver un indice sur le phénomène sous-jacent à l'aide de neutrons, les blocs de construction élémentaires non chargés électriquement des atomes. L'hypothèse :si le neutron avait un moment dit dipolaire électrique (en abrégé nEDM) avec une valeur mesurable non nulle, cela pourrait être dû au même principe physique qui expliquerait aussi l'excès de matière après le Big Bang.

50, 000 mesures

La recherche du nEDM peut être exprimée dans le langage courant comme la question de savoir si le neutron est ou non une boussole électrique. Il est clair depuis longtemps que le neutron est une boussole magnétique et réagit à un champ magnétique, ou, dans le jargon technique :a un moment dipolaire magnétique. Si en plus le neutron avait aussi un moment dipolaire électrique, sa valeur serait bien moindre — et donc bien plus difficile à mesurer. Des mesures antérieures effectuées par d'autres chercheurs l'ont confirmé. Par conséquent, les chercheurs du PSI ont dû se donner beaucoup de mal pour maintenir le champ magnétique local très constant lors de leur dernière mesure. Chaque camion qui passait sur la route à côté de PSI a perturbé le champ magnétique à une échelle pertinente pour l'expérience, cet effet a donc dû être calculé et retiré des données expérimentales.

Aussi, le nombre de neutrons observés devait être suffisamment grand pour permettre de mesurer le nEDM. Les mesures au PSI se sont donc déroulées sur une période de deux ans. Les neutrons dits ultrafroids, C'est, des neutrons avec une vitesse relativement lente, ont été mesurés. Toutes les 300 secondes, un paquet de huit secondes avec plus de 10, 000 neutrons ont été dirigés vers l'expérience et examinés. Les chercheurs ont mesuré un total de 50, 000 de ces paquets.

« Même pour le PSI avec ses grandes installations de recherche, il s'agissait d'une étude assez approfondie, " dit Philipp Schmidt-Wellenburg, un chercheur sur le projet nEDM du PSI. "Mais c'est exactement ce dont nous avons besoin de nos jours si nous recherchons une physique au-delà du modèle standard."

Rechercher "nouvelle physique"

Le nouveau résultat a été déterminé par un groupe de chercheurs de 18 instituts et universités en Europe et aux États-Unis, parmi eux l'ETH Zurich, l'Université de Berne et l'Université de Fribourg. Les données avaient été recueillies à la source de neutrons ultrafroids du PSI. Les chercheurs avaient collecté des données de mesure il y a plus de deux ans, évalué très attentivement en deux équipes, et grâce à cela obtenu un résultat plus précis que jamais.

Le projet de recherche nEDM s'inscrit dans la recherche d'une « nouvelle physique » qui irait au-delà du modèle dit standard. Ceci est également recherché dans des installations encore plus grandes telles que le Grand collisionneur de hadrons LHC au CERN. "La recherche au CERN est large et recherche généralement de nouvelles particules et leurs propriétés, " explique Schmidt-Wellenburg. " En revanche, nous allons en profondeur, parce que nous ne regardons que les propriétés d'une particule, le neutron. En échange, cependant, nous atteignons une précision dans ce détail que le LHC n'atteindra peut-être que dans 100 ans."

"Finalement, " dit Georg Bison, qui comme Schmidt-Wellenburg est chercheur au Laboratoire de physique des particules du PSI, "diverses mesures à l'échelle cosmologique montrent des écarts par rapport au modèle standard. En revanche, personne n'a encore pu reproduire ces résultats en laboratoire. C'est l'une des très grandes questions de la physique moderne, et c'est ce qui rend notre travail si passionnant."

Des mesures encore plus précises sont prévues

Avec leur dernière expérience, les chercheurs ont confirmé des résultats de laboratoire antérieurs. "Notre résultat actuel a également donné une valeur pour nEDM qui est trop petite pour être mesurée avec les instruments qui ont été utilisés jusqu'à présent - la valeur est trop proche de zéro, " dit Schmidt-Wellenburg. " Il est donc devenu moins probable que le neutron aide à expliquer l'excès de matière. Mais cela ne peut toujours pas être complètement exclu. Et en tout cas, la science s'intéresse à la valeur exacte du nEDM afin de savoir s'il peut être utilisé pour découvrir une nouvelle physique."

Par conséquent, le suivant, une mesure plus précise est déjà prévue. "Lorsque nous avons démarré la source actuelle de neutrons ultrafroids ici au PSI en 2010, nous savions déjà que le reste de l'expérience ne lui rendrait pas tout à fait justice. Nous sommes donc en train de construire une expérience suffisamment plus grande, " explique Bison. Les chercheurs du PSI prévoient de démarrer la prochaine série de mesures du nEDM d'ici 2021 et, à son tour, surpasser l'actuel en termes de précision.

« Nous avons acquis une grande expérience au cours des dix dernières années et avons pu l'utiliser pour optimiser en permanence notre expérience, à la fois en ce qui concerne notre source de neutrons et en général pour la meilleure évaluation possible de données aussi complexes en physique des particules, " dit Schmidt-Wellenburg. " La publication actuelle a établi une nouvelle norme internationale. "