{"id":10539,"date":"2020-03-10T10:14:06","date_gmt":"2020-03-10T09:14:06","guid":{"rendered":"https:\/\/www3.unifr.ch\/alma-georges?p=10539"},"modified":"2020-03-10T18:13:26","modified_gmt":"2020-03-10T17:13:26","slug":"mais-ou-est-donc-passee-lantimatiere-de-lunivers","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.unifr.ch\/alma-georges\/articles\/2020\/mais-ou-est-donc-passee-lantimatiere-de-lunivers","title":{"rendered":"Mais o\u00f9 est donc pass\u00e9e l\u2019antimati\u00e8re de l\u2019univers?"},"content":{"rendered":"

Depuis plus de septante ans, les physiciens essaient de percer ce myst\u00e8re. Un groupe de recherche men\u00e9 par Antoine Weis, professeur \u00e9m\u00e9rite du D\u00e9partement de physique de l\u2019Universit\u00e9 de Fribourg, vient de co-signer un article qui propose d\u2019approcher la solution en mesurant le z\u00e9ro avec une pr\u00e9cision extr\u00eame.<\/strong><\/p>\n

Depuis le d\u00e9but des ann\u00e9es 1950, les physiciens cherchent \u00e0 observer un moment dipolaire\u00a0\u00e9lectrique\u00a0(EDM = electric dipole moment) du neutron, une particule \u00e9l\u00e9mentaire constituante de la mati\u00e8re. La coexistence d\u2019un EDM avec le moment dipolaire\u00a0magn\u00e9tique\u00a0du neutron \u2013 qui est lui une propri\u00e9t\u00e9 bien connue \u2013 est interdite par une loi de sym\u00e9trie fondamentale, appel\u00e9e sym\u00e9trie CP.<\/p>\n

Cependant, cette sym\u00e9trie impliquerait qu\u2019au moment du Big Bang, mati\u00e8re et antimati\u00e8re aient \u00e9t\u00e9 form\u00e9es en quantit\u00e9s \u00e9gales et se seraient, par la suite, mutuellement d\u00e9truites. Cette annihilation aurait produit de l\u2019\u00e9nergie pure sous forme de rayonnement \u00e9lectromagn\u00e9tique, ce qui implique que l\u2019univers, et donc nous-m\u00eames, n\u2019existerions tout simplement pas. Ce paradoxe a \u00e9t\u00e9 au c\u0153ur de la carri\u00e8re du Professeur Antoine Weis qui a accept\u00e9 de nous en livrer quelques \u00e9l\u00e9ments cl\u00e9s.<\/p>\n

Professeur Weis, si je comprends bien, notre existence est, en fait, un contresens au niveau physique?
\n<\/strong>Oui, sans la violation CP, nous n\u2019existerions probablement pas. Une solution possible est d\u2019admettre que la sym\u00e9trie CP ait \u00e9t\u00e9 viol\u00e9e et que le Big Bang ait produit un petit exc\u00e8s de mati\u00e8re qui \u2013 apr\u00e8s annihilation des parties \u00e9gales de mati\u00e8re et d\u2019antimati\u00e8re \u2013 aurait constitu\u00e9 l\u2019univers que nous voyons. Cette m\u00eame violation permettrait \u00e9galement au neutron de poss\u00e9der un EDM, c\u2019est-\u00e0-dire une s\u00e9paration spatiale des charges \u00e9lectriques en son int\u00e9rieur, alors qu\u2019il est \u00e9lectriquement neutre. Observer un tel EDM et mesurer sa valeur nous permettrait de mieux comprendre le processus de la naissance de l\u2019univers, la disparition de l\u2019antimati\u00e8re et donc la cr\u00e9ation des bases primordiales de notre existence.<\/p>\n

Concr\u00e8tement, comment faut-il se repr\u00e9senter un moment dipolaire \u00e9lectrique?
\n<\/strong>Le neutron est \u00e9lectriquement neutre, mais on sait qu\u2019il est constitu\u00e9 de quarks charg\u00e9s positivement et n\u00e9gativement. En principe, les charges positives et n\u00e9gatives sont r\u00e9parties de mani\u00e8re homog\u00e8ne sur le volume du neutron. Un moment \u00e9lectrique est pr\u00e9sent lorsqu\u2019il y a une s\u00e9paration de ces charges \u00e0 l\u2019int\u00e9rieur du neutron, par exemple, un petit exc\u00e8s de charge positive \u00e0 son p\u00f4le nord et un exc\u00e8s \u00e9quivalent de charge n\u00e9gative \u00e0 son p\u00f4le sud.<\/p>\n

Comment les mesures ont-elles \u00e9t\u00e9 effectu\u00e9es?
\n<\/strong>Le neutron a un moment magn\u00e9tique. Lorsqu\u2019il est expos\u00e9 \u00e0 un champ magn\u00e9tique, son axe \u00a0va tourner autour de la direction de ce champ, un mouvement appel\u00e9 pr\u00e9cession. Un neutron poss\u00e9dant un moment \u00e9lectrique fera de m\u00eame lorsqu\u2019il est expos\u00e9 \u00e0 un champ \u00e9lectrique. Dans l\u2019exp\u00e9rience du PSI, nous avons induit une pr\u00e9cession magn\u00e9tique des neutrons \u00e0 raison de\u00a030 tours \u00e0 la seconde, puis nous avons essay\u00e9 de d\u00e9tecter si l\u2019application suppl\u00e9mentaire d\u2019un champ \u00e9lectrique ralentit ou acc\u00e9l\u00e8re cette pr\u00e9cession. Les fr\u00e9quences de pr\u00e9cession sont mesur\u00e9es par une m\u00e9thode de r\u00e9sonance magn\u00e9tique, variante des mesures IRM pratiqu\u00e9es dans les h\u00f4pitaux.<\/p>\n

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Int\u00e9rieur de la chambre \u00e0 vide qui contient la bouteille \u00e0 neutrons (21 litres), cylindre ferm\u00e9 en haut et en bas par des \u00e9lectrodes permettant d\u2019appliquer un champ \u00e9lectrique de 11 kV\/cm. Les magn\u00e9tom\u00e8tres d\u00e9velopp\u00e9s \u00e0 Fribourg sont mont\u00e9s dans ces \u00e9lectrodes. (Photo: Paul Scherrer Institut)<\/em><\/p><\/div>\n

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D\u2019o\u00f9 viennent les neutrons utilis\u00e9s pour effectuer les mesures?
\n<\/strong>Les mesures sont faites avec de neutrons, appel\u00e9s ultrafroids (UCN = ultracold neutrons) \u00e0 cause de la tr\u00e8s petite vitesse \u00e0 laquelle ils bougent.\u00a0 Ces UCN sont produits au PSI par un appareillage tr\u00e8s complexe, la source \u00e0 UCN. A cause des lois de la m\u00e9canique quantique, on peut \u00abenfermer\u00bb les UCN dans un r\u00e9cipient, appel\u00e9 bouteille \u00e0 neutrons (voir photo) pendant plusieurs minutes, afin de mesurer leur fr\u00e9quence de pr\u00e9cession.<\/p>\n

Parlez-nous de votre histoire dans cette aventure.<\/strong>
\nPendant mes \u00e9tudes \u00e0 l\u2019ETHZ dans les ann\u00e9es 1970\/80, j\u2019\u00e9tais d\u00e9j\u00e0 fascin\u00e9 par la recherche de l\u2019EDM du neutron et j\u2019ai suivi ses d\u00e9veloppements avec grand int\u00e9r\u00eat. Je me suis senti tr\u00e8s honor\u00e9 quand, dans le cadre d\u2019une collaboration internationale qui se formait au d\u00e9but des ann\u00e9es 2000 au Paul Scherrer Institut (PSI) en Suisse, j\u2019ai \u00e9t\u00e9 invit\u00e9 \u00e0 collaborer \u00e0 des mesures conduites \u00e0 l\u2019Institut Laue-Langevin (ILL) de Grenoble. Le montage exp\u00e9rimental a ensuite \u00e9t\u00e9 transf\u00e9r\u00e9 au PSI et am\u00e9lior\u00e9. Mon \u00e9quipe de recherche a particip\u00e9 pendant 2 d\u00e9cennies \u00e0 cette aventure, qui a abouti au r\u00e9sultat publi\u00e9 aujourd\u2019hui.<\/p>\n

Quel est ce r\u00e9sultat?
\n<\/strong>La publication \u2013 sign\u00e9e par plus de 80 autrices et auteurs (dont 5 de l\u2019Unifr) bas\u00e9s dans 18 institutions, r\u00e9parties sur 8 pays \u2013 rapporte une nouvelle valeur dn = (0.0 \u00b1 1.1stat \u00b1 0.2syst) \u00d7 10-26 e cm pour le moment dipolaire \u00e9lectrique du neutron. De cette valeur on peut conclure avec un confiance de 90% que l\u2019EDM du neutron est inf\u00e9rieur \u00e0 1.8\u00a0\u00d7\u00a010-26\u00a0e cm. Ceci signifie que la distance entre les charges positives et n\u00e9gatives \u00e0 l\u2019int\u00e9rieur du neutron est de moins de 1.8\u00a0\u00d7\u00a010-26\u00a0cm, distance qu\u2019il faut comparer au rayon du neutron de\u00a0\u00a01.3\u00a0\u00d7\u00a010-13\u00a0cm pour pouvoir appr\u00e9cier la pr\u00e9cision extraordinaire des mesures faites au PSI!<\/p>\n

Investir 20 ans pour trouver un r\u00e9sultat de 0.0! Qu\u2019est-ce que cela signifie exactement?
\n<\/strong>La valeur mesur\u00e9e de l\u2019EDM du neutron est en effet dn\u00a0= 0.0\u00a0\u00d7\u00a010-26\u00a0e cm. Le vrai r\u00e9sultat n\u2019est cependant pas dans cette valeur, mais plut\u00f4t dans ses incertitudes. En physique, comme dans toute autre science exp\u00e9rimentale, chaque mesure est affect\u00e9e par deux types d\u2019incertitudes. L\u2019incertitude dite\u00a0statistique\u00a0de la mesure susmentionn\u00e9e est de\u00a01.1\u00a0\u00d7\u00a010-26\u00a0e\u00a0cm, et son incertitude\u00a0syst\u00e9matique\u00a0est de 0.2\u00a0\u00d7\u00a010-26\u00a0e\u00a0cm. L\u2019erreur statistique r\u00e9sulte du nombre de mesures individuelles (ici 50.000) et pourra \u00eatre r\u00e9duite \u00e0 l\u2019avenir en effectuant plus de mesures et\/ou en utilisant plus de neutrons. La plus belle avanc\u00e9e de ce travail est la r\u00e9duction significative \u2013 par un facteur 5 \u2013 de l\u2019incertitude syst\u00e9matique.\u00a0 Notre victoire r\u00e9side dans la d\u00e9monstration que nous savons contr\u00f4ler les effets syst\u00e9matiques au niveau susmentionn\u00e9.<\/p>\n

A quoi est due la r\u00e9duction des incertitudes syst\u00e9matiques par rapport au dernier r\u00e9sultat obtenu il y a une vingtaine d\u2019ann\u00e9es?
\n<\/strong>Il a fallu s\u2019assurer de la qualit\u00e9 \u2013 c\u2019est-\u00e0-dire de la pr\u00e9cision de la valeur, ainsi que de ses variations temporelles et spatiales \u2013 du champ magn\u00e9tique appliqu\u00e9, afin de pouvoir isoler l\u2019effet minuscule \u00e9ventuellement induit par le champ \u00e9lectrique. Ce contr\u00f4le extr\u00eame est effectu\u00e9 par un magn\u00e9tom\u00e8tre au mercure (pour la valeur du champ et sa variation avec le temps), ainsi qu\u2019au travers d\u2019un r\u00e9seau de 15 magn\u00e9tom\u00e8tres au c\u00e9sium (pour la distribution spatiale du champ). Ces derniers ont \u00e9t\u00e9 d\u00e9velopp\u00e9s \u00e0 l\u2019Universit\u00e9 de Fribourg par mon \u00e9quipe.<\/p>\n

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Les Docteurs Philipp Schmidt-Wellenburg et Georg Bison (Unifr) du PSI devant le blindage magn\u00e9tique entourant la chambre \u00e0 vide dans laquelle les mesures ont \u00e9t\u00e9 effectu\u00e9es. (Photo: Paul Scherrer Institut \/ Mahir Dzambegovic)<\/p><\/div>\n

Qu\u2019en est-il aujourd\u2019hui? Les exp\u00e9riences vont-elles se poursuivre?
\n<\/strong>Depuis la fin des mesures qui ont men\u00e9 \u00e0 ce nouveau r\u00e9sultat, l\u2019appareil a \u00e9t\u00e9 d\u00e9mantel\u00e9 au PSI, o\u00f9 il est actuellement remplac\u00e9 par un appareil plus performant qui commencera \u00e0 prendre des donn\u00e9es en 2021.\u00a0\u00a0Je suis assez fier que mon ancien th\u00e9sard, Georg Bison, devienne le responsable de la magn\u00e9tom\u00e9trie du nouvel appareil.<\/p>\n

Il me tient d\u2019ailleurs \u00e0 c\u0153ur de remercier\u00a0 mes \u00e9tudiants en Master, doctorants, postdocs et ma\u00eetre-assistants Georg Bison, Zoran Gruji\u0107, Stefan Gr\u00f6ger, Malgorzata Kasprzak, Paul Knowles, Hans-Christian Koch, Peter Koss, Jari Piller et Martin Rebetez qui \u00a0ont contribu\u00e9 \u00e0 diff\u00e9rents niveaux au succ\u00e8s de cette aventure pendant ces 20 derni\u00e8res ann\u00e9es. Je remercie le Fonds national suisse (FNS) pour la confiance et le soutien qu\u2019il m\u2019a apport\u00e9 durant ma vie active \u00e0 \u00e0 l\u2019Unifr.<\/p>\n

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