Étoiles, galactique, et tout dans l'univers, y compris notre propre corps, sont constitués de matière dite régulière. La matière régulière comprend des atomes et des molécules, qui sont constitués de minuscules particules, comme les électrons, protons, et les neutrons. Ces particules dominent notre univers, largement plus nombreux que leurs homologues moins connus :les particules d'antimatière. Découvert expérimentalement en 1932 par le regretté lauréat du prix Nobel et professeur de longue date de Caltech Carl Anderson, les particules d'antimatière ont les charges opposées à leurs homologues de matière. La particule d'antimatière à l'électron chargé négativement, par exemple, est le positron chargé positivement.

Comment la matière a-t-elle fait de l'ombre à l'antimatière ? Les scientifiques pensent que quelque chose s'est produit au début de l'histoire de notre cosmos pour faire pencher la balance des particules à la matière, faisant disparaître en grande partie l'antimatière. Comment cela s'est produit est encore un mystère.

Dans une nouvelle étude de la revue Lettres d'examen physique , Nick Hutzler, professeur assistant de physique à Caltech, et son étudiant diplômé Phelan Yu, proposent un nouvel outil sur table pour rechercher des réponses à l'énigme de l'antimatière. Comme d'autres physiciens qui étudient le problème, l'idée principale des chercheurs est de rechercher des asymétries dans la façon dont la matière régulière interagit avec les champs électromagnétiques. Ceci est lié à un type de symétrie couramment observé dans les particules appelé parité de charge, ou CP. Tout écart par rapport à la symétrie CP attendue pourrait expliquer comment la matière a finalement dépassé l'antimatière dans notre univers.

Hutzler et ses collègues ont théoriquement mis au point une nouvelle façon de sonder ces violations de symétrie en utilisant une molécule radioactive appelée ion monométhoxyde de radium, ou RaOCH 3 ⁺ . Leurs partenaires à l'UC Santa Barbara, dirigé par Andrew Jayich, puis créé ces molécules pour la première fois et publié les résultats dans un article compagnon dans Lettres d'examen physique .

Les études conjointes démontrent que les molécules radioactives ont le potentiel d'être des sondes encore plus sensibles des symétries fondamentales des particules que les atomes non radioactifs couramment utilisés aujourd'hui.

"La méthode de pointe pour ce type d'étude utilise des atomes, " explique Hutzler. " Mais les molécules peuvent être des sondes encore meilleures parce qu'elles ont une asymétrie intégrée. Ils sont grumeleux et déséquilibrés pour commencer. Le noyau de radium est encore plus grumeleux car il a une distribution de charge très inégale, et cela aide aussi. Le résultat est un 100, 000 à 1, 000, 000 plus grande amplification des violations de symétrie, s'il y en a, par rapport à ce qui a été l'état de l'art."

Pour rechercher des violations de symétrie dans les particules, les chercheurs observent généralement le comportement des particules dans les champs électriques. Ils recherchent des comportements anormaux qui enfreignent les règles de symétrie connues; par exemple, les physiciens ont prédit que les violations de symétrie pourraient provoquer la précession d'un électron, ou osciller comme une toupie, dans un champ électrique. Les molécules contiennent des champs électromagnétiques, en raison de leur nature asymétrique, ils font donc des cibles idéales pour ce genre de travail.

Hutzler dit qu'il avait déjà pensé à utiliser des molécules à base de radium à cette fin, s'appelant même un "fanboy de radium, " mais a expliqué que l'isotope dont ils ont besoin est extrêmement radioactif avec une demi-vie de deux semaines (la moitié d'un morceau de radium se désintégrera en d'autres noyaux en seulement deux semaines).

"Cet isotope du radium est très radioactif et très rare, ce qui rend le travail difficile, " explique Hutzler. " Mais les propriétés uniques du RaOCH 3 ⁺ molécule surmonter bon nombre de ces défis, et, lorsqu'il est combiné avec la technique expérimentale démontrée à l'UC Santa Barbara, permettra moderne, quantum, des méthodes très sensibles pour rechercher ces violations de symétrie."

La nouvelle méthode de table est complémentaire à d'autres techniques qui recherchent des indices sur le mystère de l'antimatière, y compris des expériences connexes réalisées dans le laboratoire Hutzler ainsi que le moment dipolaire électrique à neutrons, ou expérience nEDM, qui est en partie construit à Caltech par Brad Filippone, le professeur Francis L. Moseley de physique, et son équipe. En réalité, Hutzler a travaillé avec Filippone sur cette expérience en tant qu'étudiant de premier cycle à Caltech. L'expérience nEDM, qui aura finalement lieu au Laboratoire national d'Oak Ridge dans environ cinq ans, recherchera des violations de symétrie CP spécifiquement dans les neutrons.

"Cette nouvelle approche n'est pas aussi propre et directe que la nEDM, mais en utilisant une molécule entière, nous avons l'avantage de pouvoir détecter les violations de symétrie dans une gamme de particules, " dit Hutzler.

L'approche des molécules radioactives peut prendre des années de plus pour se développer pleinement, mais Hutzler dit qu'il a aimé se concentrer sur l'aspect théorique du travail.

"Nous avons commencé à nous mêler davantage de la théorie en partie à cause de la pandémie et du fait que nous avons plus de temps à la maison, " dit-il. " Nous n'aurions probablement pas fait ce travail théorique autrement. "

L'étude, intitulé « Sonder les symétries fondamentales des noyaux déformés dans les molécules supérieures symétriques, " a été financé par l'Institut national des normes et de la technologie, la Fondation Gordon et Betty Moore, et la Fondation Alfred P. Sloan.