La mesure Montre la Rondeur Tenace de l’Électron

Les électrons sont extrêmement ronds, et certains physiciens n’en sont pas satisfaits.

Une nouvelle expérience a capturé la vue la plus détaillée des électrons à ce jour, en utilisant des lasers pour révéler des preuves de particules entourant les particules, ont rapporté les chercheurs dans une nouvelle étude. En allumant des molécules, les scientifiques ont pu interpréter comment d’autres particules subatomiques modifient la distribution de la charge d’un électron.

La rondeur symétrique des électrons suggère que les particules invisibles ne sont pas assez grandes pour fausser les électrons en formes oblongues écrasées, ou ovales. Ces résultats confirment une fois de plus une théorie de la physique de longue date, connue sous le nom de Modèle standard, qui décrit le comportement des particules et des forces dans l’univers.

En même temps, cette nouvelle découverte pourrait renverser plusieurs théories de physique alternatives qui tentent de combler les lacunes sur des phénomènes que le Modèle standard ne peut expliquer. Cela renvoie certains physiciens probablement très mécontents à la planche à dessin, a déclaré le co-auteur de l’étude, David DeMille, professeur au département de physique de l’Université Yale à New Haven, Connecticut.

« Cela ne rendra certainement personne très heureux », a déclaré DeMille à Live Science.

Une théorie bien testée

Parce que les particules subatomiques ne peuvent pas encore être observées directement, les scientifiques en apprennent davantage sur les objets grâce à des preuves indirectes. En observant ce qui se passe dans le vide autour d’électrons chargés négativement — on pense qu’ils grouillent de nuages de particules encore invisibles – les chercheurs peuvent créer des modèles de comportement des particules, a déclaré DeMille.

Le modèle standard décrit la plupart des interactions entre tous les éléments constitutifs de la matière, ainsi que les forces qui agissent sur ces particules. Pendant des décennies, cette théorie a prédit avec succès le comportement de la matière.

Cependant, il existe quelques exceptions persistantes au succès explicatif du modèle. Le Modèle standard n’explique pas la matière noire, une substance mystérieuse et invisible qui exerce une attraction gravitationnelle, mais n’émet aucune lumière. Et le modèle ne tient pas compte de la gravité aux côtés des autres forces fondamentales qui influencent la matière, selon l’Organisation européenne pour la Recherche nucléaire (CERN).

Les théories alternatives de la physique offrent des réponses là où le Modèle standard est insuffisant. Le modèle Standard prédit que les particules entourant les électrons affectent la forme d’un électron, mais à une échelle tellement infinitésimale qu’elles sont à peu près indétectables en utilisant la technologie existante. Mais d’autres théories suggèrent qu’il existe des particules lourdes encore inconnues. Par exemple, le Modèle Standard Supersymétrique postule que chaque particule du Modèle Standard a un partenaire antimatière. Ces particules lourdes hypothétiques déformeraient les électrons à un degré que les chercheurs devraient être en mesure d’observer, ont déclaré les auteurs de la nouvelle étude.

Électrons éclairants

Pour tester ces prédictions, de nouvelles expériences ont scruté les électrons à une résolution 10 fois supérieure à celle des efforts précédents, achevées en 2014; les deux recherches ont été menées par le projet de recherche Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment Search (ACME).

Les chercheurs ont cherché un phénomène insaisissable (et non prouvé) appelé moment dipolaire électrique, dans lequel la forme sphérique d’un électron semble déformée — « bosselée à une extrémité et bombée à l’autre », a expliqué DeMille — en raison de particules lourdes influençant la charge de l’électron.

Ces particules seraient « beaucoup, beaucoup plus grosses » que les particules prédites par le Modèle standard, « c’est donc un moyen très clair de savoir s’il se passe quelque chose de nouveau au-delà du Modèle standard », a déclaré DeMille.

Pour la nouvelle étude, les chercheurs d’ACME ont dirigé un faisceau de molécules d’oxyde de thorium froid à raison de 1 million par impulsion, 50 fois par seconde, dans une chambre relativement petite dans un sous-sol de l’Université Harvard. Les scientifiques ont zappé les molécules avec des lasers et étudié la lumière réfléchie par les molécules; les virages dans la lumière indiqueraient un moment dipolaire électrique.

Mais il n’y a pas eu de rebondissements dans la lumière réfléchie, et ce résultat jette une ombre sombre sur les théories de la physique qui prédisaient des particules lourdes autour des électrons, ont déclaré les chercheurs. Ces particules pourraient toujours exister, mais elles seraient très différentes de la façon dont elles ont été décrites dans les théories existantes, a déclaré DeMille dans un communiqué.

« Notre résultat indique à la communauté scientifique que nous devons sérieusement repenser certaines théories alternatives », a déclaré DeMille.

Découvertes sombres

Bien que cette expérience ait évalué le comportement des particules autour des électrons, elle fournit également des implications importantes pour la recherche de matière noire, a déclaré DeMille. Comme les particules subatomiques, la matière noire ne peut pas être observée directement. Mais les astrophysiciens savent qu’il est là, car ils ont observé son impact gravitationnel sur les étoiles, les planètes et la lumière.

« Tout comme nous, nous cherchons au cœur de l’endroit où de nombreuses théories prédisent — depuis longtemps et pour de très bonnes raisons — qu’un signal devrait apparaître », a déclaré DeMille. « Et pourtant, ils ne voient rien, et nous ne voyons rien. »

La matière noire et les nouvelles particules subatomiques qui n’ont pas été prédites par le Modèle standard doivent encore être repérées directement; pourtant, un nombre croissant de preuves convaincantes suggèrent que ces phénomènes existent. Mais avant que les scientifiques puissent les trouver, certaines idées de longue date sur leur apparence devront probablement être abandonnées, a ajouté DeMille.

« Les attentes concernant les nouvelles particules semblent de plus en plus avoir tort », a-t-il déclaré.

Les résultats ont été publiés en ligne aujourd’hui (Oct. 17) dans la revue Nature.

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