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A la recherche d'une cinquième force grâce à des géoélectrons

Depuis des décennies, on spécule sur l’existence de nouvelles forces macroscopiques qui seraient analogues à l’interaction magnétique entre deux aimants. Ces forces dépendraient des spins entre deux particules. On vient d’améliorer les tests sur leur existence d’un facteur d’environ un million en utilisant une population d’électrons associée aux atomes de fer dans le manteau de la Terre.

Une autre photo montrant le prix Nobel de physique Frank Wilczek. Sa citation à droite signifie en français : « si vous ne faites pas d'erreurs, c'est que vous n'êtes pas en train de travailler sur des problèmes assez durs. Et cela est une grave erreur ». © Justin Knight Photography Une autre photo montrant le prix Nobel de physique Frank Wilczek. Sa citation à droite signifie en français : « si vous ne faites pas d'erreurs, c'est que vous n'êtes pas en train de travailler sur des problèmes assez durs. Et cela est une grave erreur ». © Justin Knight Photography

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Les forces électriques entre les électrons, les quarks ou d’autres particules chargées dépendent de leurs charges. Les théories de Yang-Mills à la base des autres interactions du modèle standard utilisent des sortes de généralisations des charges et des champs électriques pour décrire la force nucléaire forte et la force électrofaible. Dans une certaine mesure, la masse d’une particule élémentaire est l’analogue de la charge électrique pour le champ de gravitation, qui est aussi décrit par des équations de type Yang-Mills, les équations de la relativité générale.

Toutefois, on sait qu’il existe dans la nature des forces entre des objets qui ne semblent pas directement liées aux charges entre les particules, mais plutôt à une autre caractéristique fondamentale : le spin. C’est le cas des forces entre des aimants qui reposent ultimement sur le fait que les électrons doués de spin se comportent comme des dipôles magnétiques en interaction.

Généralisations des forces entre aimants

On s’est donc demandé s'il existe dans la nature des généralisations des forces magnétiques, faisant intervenir dans leur formulation mathématique non plus des produits de charges électriques mais des produits des expressions mathématiques décrivant leur spin. Incontestablement, on peut construire des théories mathématiques cohérentes prédisant des forces à plus ou moins longue portée entre des particules douées de spin. Mais la parole était à l’expérience.

Le prix Nobel de physique Norman Ramsey a été le premier à chercher des traces de ces nouvelles interactions en 1979. Il en a conclu que les effets mesurés entre deux protons ne différaient pas de ceux auxquels on s’attendait du fait des interactions magnétiques standard similaires, à la limite des mesures de l’époque.

Deux géants du modèle standard de la physique des particules : les prix Nobel Frank Wilczek (à gauche) et Yoichiro Nambu (à droite). © Betsy Devine
Deux géants du modèle standard de la physique des particules : les prix Nobel Frank Wilczek (à gauche) et Yoichiro Nambu (à droite). © Betsy Devine

Une cinquième force véhiculée par un axion ?

Vers 1984, le futur prix Nobel de physique Frank Wilczek a publié avec un collègue un article dans lequel il a relié l’hypothèse d’un nouveau couplage spin-spin entre deux particules à celle de l’échange entre ces dernières d’un boson scalaire bien particulier. Il s'agit de celui qu’il venait d’introduire dans le monde de la physique théorique : l’axion. Il faut savoir en effet qu’au bout du compte, le couplage magnétique entre deux spins de particules chargées fait intervenir un échange dit virtuel d’un boson bien connu : le photon.

Plus généralement, les années passant, plusieurs chercheurs ont emboîté le pas de Wilczek en introduisant divers nouveaux bosons susceptibles de donner lieu à des forces qui dépendent d’un couplage spin-spin. Des expériences délicates ont été entreprises afin de détecter l’existence d’une cinquième force à plus ou moins longue portée, nécessairement très faible pour avoir échappé jusqu’ici à toute détection. Au cours du temps, elles n’ont fait que repousser lentement les limites concernant les paramètres des théories proposées.

1042 géoélectrons polarisés à l'intérieur de la Terre

De façon remarquable, un groupe de physiciens des particules élémentaires et de géophysiciens vient de publier un article dans Science qui améliore brutalement d’un facteur de l’ordre d’un million la précision des tests sur l’existence d’un couplage spin-spin, autre que magnétique, entre des fermions du modèle standard.

On voit ici des géoélectrons (e-) avec leur spin (flèches rouges), c'est-à-dire ici des électrons célibataires dans des atomes de fer, orientés selon les lignes de champ magnétique dans le manteau et la croûte terrestre. Présents en grandes quantités, ces géoélectrons pourraient échanger divers bosons (lignes vertes) avec d'autres particules dotées de spin dans un détecteur en surface, de sorte qu'une cinquième force de la nature soit décelable bien qu’extrêmement faible. © Jackson School of Geosciences, The University of Texas at Austin
On voit ici des géoélectrons (e-) avec leur spin (flèches rouges), c'est-à-dire ici des électrons célibataires dans des atomes de fer, orientés selon les lignes de champ magnétique dans le manteau et la croûte terrestre. Présents en grandes quantités, ces géoélectrons pourraient échanger divers bosons (lignes vertes) avec d'autres particules dotées de spin dans un détecteur en surface, de sorte qu'une cinquième force de la nature soit décelable bien qu’extrêmement faible. © Jackson School of Geosciences, The University of Texas at Austin

Pour obtenir ce résultat spectaculaire, les chercheurs ont utilisé l’influence de ce qu’ils appellent des géoélectrons à l’intérieur de la Terre et ce sur trois expériences. Ces géoélectrons sont des électrons non appariés d'atomes de fer du manteau et de la croûte terrestre. Ils ont tendance à s’orienter avec leur spin le long des lignes de champ magnétique générées par la géodynamo. On dit qu’ils sont polarisés.

En se basant sur un modèle géophysique de l’intérieur de la Terre, il a d’abord fallu calculer le nombre et la répartition de ces géoélectrons polarisés. Une fois la carte de leur densité établie, il est devenu possible de calculer l’effet d’une éventuelle cinquième force sur certaines expériences. Une partie d’entre elles avaient pour but initial de déceler d’éventuelles violations de l’invariance de Lorentz, et utilisaient aussi le phénomène de résonance magnétique nucléaire.

Il se trouve que si les géoélectrons sont parfois à des milliers de kilomètres de ces expériences, leur nombre, estimé à 1042, compenserait largement cet inconvénient, à savoir une décroissance rapide de la cinquième force avec la distance. Ces géoélectrons seraient en effet responsable d’une force bien plus intense que celles théoriquement produites en laboratoire entre deux dispositifs, distants de quelques mètres tout au plus, et destinés spécifiquement à découvrir une nouvelle interaction avec un couplage spin-spin.

La chasse à la cinquième force continuera

Les résultats sont pour le moment négatifs, mais les chercheurs pensent pouvoir repousser encore les bornes sur l’intensité d’une cinquième force de ce genre en effectuant une nouvelle expérience en un lieu plus approprié : la Thaïlande. D’après leur modèle de répartition des géoélectrons, c’est en effet dans le sud de ce pays que les effets recherchés seraient les plus intenses et permettraient de repousser encore d’un facteur deux la précision des mesures.

En tout état de cause, ce travail est un exemple de plus des interactions surprenantes et imprévues que l’on peut rencontrer entre deux domaines de recherche à priori disjoints, à savoir la géophysique et la physique des particules. Ce n’est cependant pas la première fois. On se souvient du rôle des géoneutrinos.


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