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La "forme" d'un électron est une clé pour de la nouvelle physique

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L'électron est-il une particule véritablement ponctuelle ? Ou possède-t-il une distribution de charges étendue à l'instar du proton ? Des chercheurs de l'Imperial College London ont posé une nouvelle borne pour sa « forme », mais ils ont surtout et plus exactement, contraint la présence d'une nouvelle physique, en mesurant le moment dipolaire d'un électron avec des molécules froides.

Sir Joseph John Thomson (18 décembre 1856 - 30 août 1940), le découvreur de l'électron. © Cavendish Laboratory-Cambridge

C'est en 1897 que la découverte de l'électron a été faite par Joseph John Thomson. On peut voir là le début de la physique des particules élémentaires. La question de la taille et de la structure de cette particule s'est ensuite rapidement posée. On connaissait déjà, à cette époque, les équations de Maxwell du champ électromagnétique mais elles n'utilisaient que des distributions continues de charges et de courants. Ce sont des théoriciens comme Lorentz et Poincaré qui vont compléter la théorie des phénomènes électromagnétiques en développant ce que l'on appelait alors la théorie des électrons.

Or, pour rendre compte de la façon dont un électron perd de l'énergie cinétique sous forme de rayonnement lorsqu'il est accéléré, il était nécessaire de supposer que celui-ci possédait une certaine extension spatiale avec un rayon non nul que l'on pouvait estimer à partir de diverses considérations. On pouvait, par exemple, se représenter un électron comme une bulle uniformément chargée. Soumis à une accélération, l'électron exerçait alors une force sur ses parties constituantes, freinant son mouvement et dissipant son énergie cinétique sous forme de lumière.

Une origine électromagnétique pour la masse des particules ?

Toutefois, cette image classique d'un électron présentait plusieurs défauts quand on cherchait à la préciser. Ainsi, du fait de la répulsion électrostatique de ses parties, un électron devait avoir tendance à exploser, à moins que des contraintes issues de nouvelles forces ne garantissent la cohésion de l'électron comme Poincaré l'avait montré. Remarquablement toutefois, cette auto-interaction de l'électron et l'apparition d'une sorte de force de frottement résultante s'opposant à son mouvement pouvaient permettre de rendre compte de son inertie, c'est-à-dire de sa masse

Les choses se gâtèrent lorsque l'on chercha à bâtir une théorie quantique de l'électron et du champ électromagnétique. Si la masse d'un électron pouvait être expliquée et associée à un rayon non nul de sa distribution de charge en physique classique, en théorie quantique, le rayon se devait d'être nul, générant une masse infinie. Cette divergence infinie de la masse d'un électron en électrodynamique quantique fut partiellement mise sous contrôle avec la théorie de la renormalisation introduite par Schwinger et Feynman.

Si l'électron y était toujours bien considéré comme ponctuel, les effets de créations de paires de particules-antiparticules et l'auto-interaction persistante de l'électron avec lui-même, émettant et absorbant ses propres photons, généraient tout de même une modification de sa masse. Pour les mêmes raisons, il apparaît aussi des termes de moments magnétique (en QED) et dipolaire (dans le cadre du modèle électrofaible), analogues à ceux d'une petite sphère uniformément chargée en rotation dans les équations.

Le mathématicien et physicien Henri Poincaré (29 avril 1854 à Nancy, France - 17 juillet 1912 à Paris). © Henri Manuel

Du point de vue expérimental cependant, si l'on pouvait mesurer le moment magnétique de l'électron, son moment dipolaire restait bien au-delà des mesures possibles et toutes les expériences avec des collisions montraient que l'électron semblait être une particule ponctuelle. Appliquées aux protons, les expériences de collisions et les analyses théoriques montrèrent aux cours des années 1950 et 1960 qu'il en était tout autrement. Les protons possédaient bel et bien un rayon avec une distribution de charge étendue. La clé pour décrire ces observations fut trouvée avec la théorie des quarks et la chromodynamique quantique, montrant que protons et neutrons n'étaient pas des particules vraiment élémentaires mais composées de quarks.

Les leptons sont-ils des bulles chargées vibrantes ?

Pourtant, lorsque l'on découvrit le cousin lourd de l'électron, le muon, puis un autre lepton plus lourd (le tauon), certains commencèrent à penser que l'électron n'était pas élémentaire ou ponctuel. Ainsi, le grand théoricien Paul Dirac, peu satisfait de la théorie de la renormalisation, avait-il ressuscité en 1962 la théorie classique de l'électron en considérant à nouveau une bulle uniformément chargée, capable de vibrer selon plusieurs modes.

L'énergie de la bulle dans ses divers modes devait correspondre à différentes masses pour un même objet. La masse la plus faible étant naturellement celle de l'électron. Dirac introduisit ensuite dans sa théorie les effets de la relativité générale et les équations qu'il a développées à cette époque sont au cœur de la théorie des membranes de la fameuse théorie M, généralisant la théorie des cordes.


Le physicien et prix Nobel Paul Adrien Maurice Dirac (8 août 1902 à Bristol, Angleterre - 20 octobre 1984 à Tallahassee, Floride, États-Unis). © The Nobel Foundation

Toujours à partir des années 1950, on comprit aussi que dans le cadre de l'électrodynamique quantique, un moment dipolaire pour l'électron (mais aussi pour le proton et les leptons) était exclu à cause de deux symétries, la parité  P et l'invariance par renversement du temps T. En raison du fameux théorème CPT, une violation de T ou P entraînerait une violation de la symétrie CP. De fait, la violation de la parité et celle de CP furent effectivement observées, contribuant à la découverte du modèle électrofaible. Dans ce cadre, le moment dipolaire de l'électron n'est pas nul mais extrêmement faible.

La chasse au moment dipolaire des particules

Cela veut dire, si l'on prend une image classique, que si l'on considère l'électron comme une bulle parfaitement sphérique en l'absence d'un champ électrique extérieur, celle-ci se déformera en s'allongeant et se comportera comme deux charges de signes opposés séparées par une distance non nulle.

Ce qui est intéressant, c'est que si l'on considère des extensions du modèle standard, par exemple avec de la supersymétrie, un moment dipolaire électrique beaucoup plus facilement mesurable peut apparaître. On dispose donc d'un moyen pour tester si de la nouvelle physique est à l'œuvre dans la théorie des électrons. Surtout, de la violation CP intervenant dans les tentatives d'explication de l'énigme de l'antimatière cosmologique, mesurer un tel moment dipolaire pourrait avoir d'intéressantes conséquences dans ce domaine.

Les physiciens de l'Imperial College London se sont rendu compte qu'il était possible de tester plus précisément la présence possible d'un moment dipolaire pour un électron à l'aide de molécules de fluorure d’ytterbium froides. Travaillant au Centre for Cold Matter les chercheurs ont d'abord produit des paquets de telles molécules refroidies à basses températures possédant deux états quantiques superposés pour des électrons de valence. Ces paquets ont ensuite pénétré dans une région où régnaient un champ magnétique et un champ électrique.

Les ondes de matière associées à ces molécules froides sont susceptibles de former des franges d'interférences à la sortie de cette région en fonction de l'intensité du champ magnétique. Toutefois, selon la valeur du moment dipolaire potentiel d'un électron, la présence ou l'absence du champ électrique va affecter ou non les franges d'interférences du dispositif avec un détecteur en sortie. L'absence de moment dipolaire signifie par exemple qu'aucune modification des franges n'est possible.

Les résultats de l'expérience ont été publiés dans Nature. Ils sont négatifs. Pour reprendre la comparaison donnée par les chercheurs, si l'électron était une bulle de la taille du Système solaire, son écart de sphéricité serait inférieur à l'épaisseur d'un cheveu. Ces travaux prolongent ceux réalisés depuis des dizaines d'années, cherchant à mesurer le moment dipolaire électrique des électrons, protons, neutrons et muons.