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L'ytterbium : violation de la parité record pour un atome

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La violation de la parité a d'abord été découverte dans le monde des particules élémentaires mais plusieurs physiciens, dont le célèbre Yakov Zel'dovich, n'ont pas tardé à prédire que l'on devrait voir ses effets dans certains atomes. Ce fut le cas avec le césium et, aujourd'hui, des chercheurs du fameux Lawrence Berkeley National Laboratory viennent de l'observer, à une échelle surprenante, au sein d'un isotope de l'ytterbium. Cette découverte permet d'approcher d'un peu plus près la structure des noyaux atomiques.

Une représentation schématique de l'ytterbium 174. Crédit : Lawrence Berkeley National Laboratory

Dans l'Univers, il ne semblait y avoir aucune possibilité de distinguer entre la gauche et la droite du point de vue des lois de la physique. Ainsi, l'image dans un miroir d'un dispositif de physique effectuant une expérience devait conduire à une situation qui pouvait elle aussi exister. Lorsque qu'une situation est inchangée sous l'action d'une transformation, comme faire tourner une sphère ou en prendre l'image dans un miroir, les physiciens parlent d'une symétrie, de même que les mathématiciens lorsqu'ils considèrent une équation invariante sous une opération de transformation.

Les symétries ne sont pas que des outils mathématiques pour analyser un phénomène ou calculer plus facilement les équations qui lui sont associées. Elles sont à l'origine de la forme de bien des lois de l'Univers et en particulier des lois de conservation. L'invariance par rotation est ainsi à l'origine de la conservation du moment cinétique et les nombreuses particules élémentaires du modèle standard sont étroitement associées aux symétries des théories de jauges des interactions, invariantes sous des transformations décrites par des groupes de Lie.

Violation de parité dans la désintégration du noyau de cobalt 60. L'électron est émis préférentiellement dans la direction opposée à celle du spin du noyau. En regardant l'image dans un miroir, le spin change de sens (c'est un pseudovecteur) et l'électron est émis préférentiellement dans la direction du spin du noyau. Crédit : Ilarion Pavel-3xplus

Jusqu'en 1957, à part pour des théoriciens comme T. D. Lee et Chen Ning Yang, la parité était une opération de symétrie vérifiée par les particules élémentaires. Les expériences de Wu et Lederman démontrèrent que les interactions faibles violaient la conservation de la parité. Certaines expériences, notamment la désintégration bêta d'atomes de cobalt 60 placés dans un champ magnétique, ne donnaient pas le même résultat que leur image dans un miroir.

La confirmation, au début des années 1980, du modèle électrofaible des interactions, unifiant la force électromagnétique avec la force nucléaire faible, impliquait des phénomènes déjà entrevus par le grand cosmologiste Yakov Zel'dovich, à savoir l'apparition de traces discrètes de la violation de la parité jusque dans les niveaux des électrons des atomes.

Selon Zel’dovich, des courants de nucléons similaires aux courants d'électrons dans un tokamak se produisent dans certains noyaux, du fait des forces nucléaires faibles. Crédit : Lawrence Berkeley National Laboratory

Des test désormais possibles pour certains modèles nucléaires

On trouva effectivement de telles violations dans l'atome de césium. Aujourd'hui, Dmitry Budker et ses collègues du Lawrence Berkeley National Laboratory viennent de les mettre en évidence dans un isotope de l'ytterbium. Les effets de violation de la parité y sont même cent fois plus importants. Cet atome constitue maintenant un excellent laboratoire pour tester des prédictions difficiles à mettre en évidence et concernant les interactions faibles dans les noyaux.

Le principe de cette expérience implique de constituer d'abord un faisceau atomique d'ytterbium 174. On l'obtient sous forme de vapeur en chauffant la terre rare à 500 °C. Le faisceau passe ensuite dans une zone dans laquelle règnent un champ magnétique qui lui est parallèle et un champ électrique qui lui est perpendiculaire. On bombarde alors les atomes avec un laser dirigé selon la direction du champ électrique. Des transitions électroniques rares, en liaison avec les forces faibles exercées par les nucléons du noyau, sont alors observables et ce sont elles qui sont sensibles à la violation de la parité.

En particulier, les physiciens peuvent maintenant tester les modèles nucléaires qui prédisent qu'une couche riche en neutrons entoure les noyaux lourds. Par ailleurs, une théorie, que l'on doit aussi à Zel'dovich, veut que sous l'effet des forces faibles les nucléons ont tendance à circuler au sein du noyau en formant un tore. Le phénomène a été mis en évidence avec les protons de valence de l'atome de césium mais toujours pas avec les neutrons...