À l’aide d’une technique nouvellement développée, des scientifiques de l’Institut Max Planck de physique nucléaire (MPIK) à Heidelberg ont mesuré la très petite différence dans les propriétés magnétiques de deux isotopes de néon hautement chargés dans un piège à ions avec une précision auparavant inaccessible. La comparaison avec des calculs théoriques tout aussi extrêmement précis de cette différence permet un test record de l’électrodynamique quantique (QED). L’accord des résultats est une confirmation impressionnante du modèle standard de la physique, permettant des conclusions concernant les propriétés des noyaux et fixant des limites pour la nouvelle physique et la matière noire.
Les électrons sont parmi les éléments constitutifs les plus fondamentaux de la matière que nous connaissons. Ils se caractérisent par des propriétés très particulières, telles que leur charge négative et l’existence d’un moment cinétique intrinsèque très spécifique, également appelé spin. En tant que particule chargée de spin, chaque électron a un moment magnétique qui s’aligne dans un champ magnétique semblable à une aiguille de boussole. La force de ce moment magnétique, donnée par ce qu’on appelle le facteur g, peut être prédite avec une précision extraordinaire par l’électrodynamique quantique. Ce calcul est en accord avec le facteur g mesuré expérimentalement à 12 chiffres près, l’une des correspondances les plus précises de la théorie et de l’expérience en physique à ce jour. Cependant, le moment magnétique de l’électron change dès qu’il n’est plus une particule « libre », c’est-à-dire non affectée par d’autres influences, mais lié à un noyau atomique, par exemple. Les légers changements du facteur g peuvent être calculés au moyen de QED, qui décrit l’interaction entre l’électron et le noyau en termes d’échange de photons. Des mesures de haute précision permettent un test sensible de cette théorie.
« Avec notre travail, nous avons maintenant réussi à étudier ces prédictions QED avec une résolution sans précédent, et partiellement, pour la première fois », rapporte le chef de groupe Sven Sturm. « Pour ce faire, nous avons examiné la différence de facteur g pour deux isotopes d’ions néon hautement chargés qui ne possèdent qu’un seul électron. » Ceux-ci sont similaires à l’hydrogène, mais avec une charge nucléaire 10 fois plus élevée, renforçant les effets QED. Les isotopes ne diffèrent que par le nombre de neutrons dans le noyau lorsque la charge nucléaire est la même. 20Ne9+ et 22Ne9+ avec 10 et 12 neutrons, respectivement, ont été étudiés.
L’expérience ALPHATRAP à l’Institut Max Planck de physique nucléaire à Heidelberg fournit un piège de Penning spécialement conçu pour stocker des ions uniques dans un champ magnétique puissant de 4 Tesla dans un vide presque parfait. Le but de la mesure est de déterminer l’énergie nécessaire pour inverser l’orientation de « l’aiguille de la boussole » (spin) dans le champ magnétique. Pour ce faire, on recherche la fréquence exacte de l’excitation micro-onde nécessaire à cet effet. Cependant, cette fréquence dépend aussi de la valeur exacte du champ magnétique. Pour le déterminer, les chercheurs exploitent le mouvement des ions dans le piège de Penning, qui dépend également du champ magnétique.
Malgré la très bonne stabilité temporelle de l’aimant supraconducteur utilisé ici, de minuscules fluctuations inévitables du champ magnétique limitent les mesures précédentes à environ 11 chiffres de précision.
L’idée de la nouvelle méthode est de stocker les deux ions à comparer, 20Ne9+ et 22Ne9+ simultanément dans le même champ magnétique dans un mouvement couplé. Dans un tel mouvement, les deux ions tournent toujours l’un en face de l’autre sur une trajectoire circulaire commune avec un rayon de seulement 200 micromètres », explique Fabian Heiße, Postdoc à l’expérience ALPHATRAP.
De ce fait, les fluctuations du champ magnétique ont des effets pratiquement identiques sur les deux isotopes, il n’y a donc aucune influence sur la différence des énergies recherchées. Combiné avec le champ magnétique mesuré, les chercheurs ont pu déterminer la différence des facteurs g des deux isotopes avec une précision record à 13 chiffres, une amélioration d’un facteur 100 par rapport aux mesures précédentes et donc la comparaison la plus précise de deux g -facteurs dans le monde entier. La résolution obtenue ici peut être illustrée comme suit : si, au lieu du facteur g, les chercheurs avaient mesuré la plus haute montagne d’Allemagne, la Zugspitze, avec une telle précision, ils seraient capables de reconnaître des atomes supplémentaires individuels sur le sommet par la hauteur de la montagne.
Les calculs théoriques ont été effectués avec une précision similaire dans le département de Christoph Keitel au MPIK. « En comparaison avec les nouvelles valeurs expérimentales, nous avons confirmé que l’électron interagit bien avec le noyau atomique via l’échange de photons, comme prédit par QED », explique le responsable du groupe Zoltán Harman. Ceci a maintenant été résolu et testé avec succès pour la première fois par les mesures de différence sur les deux isotopes du néon. Alternativement, en supposant que les résultats QED sont connus, l’étude permet de déterminer les rayons nucléaires des isotopes plus précisément qu’auparavant possible par un facteur de 10.
« A l’inverse, l’accord entre les résultats de la théorie et de l’expérience permet de contraindre une nouvelle physique au-delà du modèle standard connu, comme la force de l’interaction de l’ion avec la matière noire », déclare le postdoc Vincent Debierre.
« À l’avenir, la méthode présentée ici pourrait permettre un certain nombre d’expériences nouvelles et passionnantes, telles que la comparaison directe de la matière et de l’antimatière ou la détermination ultra-précise des constantes fondamentales », déclare le premier auteur, le Dr Tim Sailer.
Tim Sailer et al, Mesure de la différence de facteur g d’électrons liés dans les ions couplés, La nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-04807-w