À la recherche de nouvelles particules et forces dans la nature, les physiciens sont à la recherche de comportements au sein des atomes et des molécules qui sont interdits par le modèle standard éprouvé de la physique des particules. Tout écart par rapport à ce modèle pourrait indiquer ce que les physiciens appellent affectueusement la « nouvelle physique ».

Nick Hutzler, professeur adjoint de physique à Caltech, et son groupe recherchent des types spécifiques de déviations qui pourraient aider à résoudre le mystère de la raison pour laquelle il y a tant de matière dans notre univers. Lorsque notre univers est né il y a environ 14 milliards d'années, on pense que la matière et son partenaire, l'antimatière, existaient dans des proportions égales.

En règle générale, la matière et l'antimatière s'annulent, mais une sorte d'asymétrie existait entre les différents types de particules pour que la matière l'emporte sur l'antimatière. Le groupe de Hutzler utilise des expériences sur table pour rechercher les violations de symétrie, les comportements déviants des particules qui ont conduit à notre univers déséquilibré dominé par la matière.

Maintenant, rapport dans les Lettres d'examen physique , l'équipe, dirigée par Chi Zhang, chercheur postdoctoral associé en physique à Caltech, David et Ellen Lee, a trouvé un moyen d'améliorer leurs études en utilisant l'intrication, un phénomène de physique quantique par lequel deux particules distantes peuvent rester connectées même sans être en contact direct. L'étude s'intitule "Métrologie améliorée quantique pour la violation de la symétrie moléculaire à l'aide de sous-espaces sans décohérence".

Dans ce cas, les chercheurs ont développé une nouvelle méthode pour enchevêtrer des réseaux de molécules, qui servent de sondes pour mesurer les violations de symétrie. En enchevêtrant les molécules, les réseaux deviennent moins sensibles au bruit de fond qui peut interférer avec l'expérience et plus sensibles au signal souhaité.

"C'est comme ancrer un groupe de canards en caoutchouc ensemble", explique Hutzler. "Si vous vouliez mesurer le mouvement des canards dans une baignoire, ils seraient moins sensibles au bruit de fond des éclaboussures d'eau si vous les connectiez ensemble. Et ils seraient plus sensibles à quelque chose que vous voudriez peut-être mesurer comme le débit de l'eau. un courant puisqu'ils y répondraient tous collectivement."

"Nous voulons être sensibles à la structure des molécules", explique Zhang. "Les champs électriques et magnétiques incontrôlés du dispositif expérimental gênent nos mesures, mais nous disposons désormais d'un nouveau protocole pour enchevêtrer les molécules de manière à les rendre moins sensibles au bruit."

Plus précisément, cette nouvelle méthode peut être utilisée pour rechercher de minuscules inclinaisons d’électrons pouvant se produire en réponse à des champs électriques au sein des molécules. "De légères rotations indiqueraient que des électrons ou des spins nucléaires interagissent avec des champs électriques, ce qui est interdit selon le modèle standard", explique Hutzler.

"D'autres approches utilisant l'intrication augmenteraient généralement la sensibilité au bruit", ajoute-t-il. "Chi a trouvé un moyen de réduire le bruit tout en nous offrant un gain de sensibilité grâce à l'enchevêtrement."

Une autre étude expérimentale récente publiée dans Science , dirigé par Hutzler et John M. Doyle de l'Université Harvard, a montré que les molécules polyatomiques utilisées dans ce type d'études ont d'autres capacités uniques pour se protéger du bruit électromagnétique, mais sans l'augmentation de sensibilité due à l'intrication.

Dans cette étude, les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient ajuster la sensibilité de la molécule aux champs externes et en fait faire disparaître la sensibilité, rendant ainsi les molécules largement immunisées contre le bruit.

"Grâce aux avantages de l'intrication, les chercheurs peuvent pousser ces expériences à explorer des secteurs de plus en plus exotiques de la nouvelle physique", explique Hutzler.

Plus d'informations : Chi Zhang et al, Métrologie quantique améliorée pour la violation de la symétrie moléculaire à l'aide de sous-espaces sans décohérence, Physical Review Letters (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.131.193602

Loïc Anderegg et al, Contrôle quantique des molécules polyatomiques piégées pour les recherches eEDM, Science (2023). DOI :10.1126/science.adg8155

Informations sur le journal : Lettres d'examen physique , Sciences

Fourni par l'Institut de technologie de Californie