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Supersymétrie : les molécules froides rivalisent avec le LHC

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Par Laurent Sacco, Futura

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La théorie quantique des champs dote les électrons d'un moment dipolaire électrique. Sa valeur peut grandement dépendre d'une physique au-delà du modèle standard à des énergies que le LHC peut explorer dans certains cas. On vient de poser de nouvelles bornes sur cette valeur avec de simples faisceaux moléculaires. Elle poserait des difficultés avec des versions simples de la supersymétrie.

Paul Dirac et Eugene Wigner. Le premier a jeté les bases de l'électrodynamique quantique relativiste décrivant les interactions entre photons et particules chargées comme l'électron. Le second a montré que les symétries et la théorie des groupes jouaient un rôle central dans la construction des théories quantiques et relativistes de la matière et des forces. Ces symétries dictent les propriétés des particules élémentaires, comme la possibilité de posséder un moment électrique dipolaire. © AIP

Contrairement aux protons et aux neutrons, l'électron est considéré jusqu'à nouvel ordre comme une particule ponctuelle. En physique classique, on ne pourrait donc pas lui attribuer un moment électrique dipolaire, puisqu'il faudrait pour cela que sa charge soit étalée dans un petit volume. Comme on pouvait s'y attendre, la théorie quantique d'un électron dans le cadre du modèle standard des particules élémentaires n'est pas en accord avec cette intuition. On doit lui attribuer un moment électrique dipolaire (electric dipolar moment ou EDM en anglais) ainsi qu'un moment magnétique, comme si l'électron était à la fois un objet chargé étendu et en rotation.

La valeur de ce moment électrique est très faible : 10-39 e.cm. Elle découle de l'existence de paires virtuelles de quarks et d'antiquarks qui apparaissent et disparaissent sans cesse autour de l'électron. Mais si l'on plonge le modèle standard dans le cadre d'une théorie plus générale, cette valeur du moment électrique peut devenir beaucoup plus grande. L'extension la plus simple du modèle standard des années 1980 est celle où l'on dote les neutrinos d'une masse. On sait que c'est bien le cas depuis moins de 20 ans grâce aux premières preuves des oscillations des neutrinos. L'augmentation de la valeur du moment électrique de l'électron reste faible, mais ce n'est plus le cas avec des modèles permettant d'expliquer d'où vient la masse des neutrinos. L'ajout de cette masse est autorisé, mais pas exigé, par les symétries à la base du modèle standard, mais on ne sait pas d'où elle provient. Indépendamment de l'origine de la masse des neutrinos, mesurer un moment électrique dipolaire non nul, donc mettre en évidence une « forme » pour un électron, pourrait entrouvrir une fenêtre sur de la nouvelle physique.

Test des théories de grande unification à basse énergie

Les physiciens en sont bien conscients, et ils tentent de mesurer ce moment électrique depuis des années. En 2011, une expérience avait déjà permis de poser des bornes sérieuses sur de la nouvelle physique. Des physiciens américains et canadiens, membres de la collaboration Advanced Cold Molecule EDM Experiment (Acme), viennent de repousser ces bornes d'un facteur 12. On sait maintenant que le moment électrique dipolaire de l'électron, aux erreurs de mesures près, ne possède pas une valeur supérieure à 8,7 × 10-29 e.cm. Comme on peut le voir sur le schéma ci-dessous, cette nouvelle valeur contraint fortement divers modèles avec de la supersymétrie ou un modèle de grande unification (Gut, ou théorie de grande unification) comme SO(10). Ces modèles supposent l'existence de nouvelles particules qui contribuent, en plus des paires de quarks du modèle standard, à la valeur effective du moment électrique dipolaire de l'électron.

Un moment dipolaire électrique est le produit d'une charge et d'une longueur. On peut prendre comme unités de base la valeur de la charge électrique élémentaire e pour la charge. Avec en abscisse la valeur de du moment dipolaire d'un électron, on a représenté les bandes de cette valeur compatibles avec plusieurs extensions du modèle standard. La prédiction de ce modèle (standard model) est visible en haut à droite. Elle est très faible et difficilement mesurable, contrairement aux prédictions les plus simples de la supersymétrie (naive Susy), en bas à gauche. © D. DeMille

Pour réaliser cet exploit, les chercheurs ont utilisé une astuce qu'ils expliquent dans un article publié sur arxiv. Comme pour l'expérience précédente, ils ont commencé par fabriquer un faisceau moléculaire avec des molécules froides, c'est-à-dire une sorte de jet de gaz à très basse température. Ils ont judicieusement choisi des molécules polaires de monoxyde de thorium, car ces molécules génèrent en leur sein des champs électriques extrêmement intenses qui agissent sur les électrons présents à certains niveaux d'énergie. Le moment électrique dipolaire des électrons est proportionnel à leur spin, de sorte qu'ils peuvent effectuer un mouvement de précession bien déterminé quand on les plonge dans un champ électrique et un champ magnétique.

En peuplant les niveaux d'énergie mentionnés précédemment avec des impulsions laser et en plongeant le faisceau moléculaire dans des champs électriques et magnétiques externes s'ajoutant à ceux, internes, des molécules de monoxyde de thorium, ce mouvement de précession devient une sonde très sensible à la valeur du moment électrique de l'électron. Cette valeur peut être mesurée indirectement par spectroscopie.

Des particules supersymétriques probablement très lourdes

Si l'on en croit les physiciens, la nouvelle contrainte obtenue, un moment électrique inférieur à 8,7 × 10-29 e.cm, limite en particulier les manifestations de la violation CP que l'on cherche à étudier avec le LHC. Comprendre l'origine de la violation CP contenue dans la fameuse matrice de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) pourrait permettre d'obtenir des éléments de réponse à l'énigme de l'antimatière cosmologique. Surtout, des modèles de supersymétrie parmi les plus simples permettent de rendre compte de la violation CP dans la matrice CKM.

Selon le physicien Adam Falkowski, dans le cadre des théories supersymétriques, les explications les plus simples des résultats de la collaboration Acme impliqueraient que les particules supersymétriques partenaires des particules du modèle standard ont des masses supérieures à environ 10 TeV, et pas inférieures à 1 TeV comme on le pensait. Comme on doit pouvoir progresser significativement dans la précision des mesures avec l'expérience Acme, celle-ci pourrait bien faire plus que jeu égal avec le LHC pour certaines découvertes concernant une physique au-delà du modèle standard.

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