Tauonium : l'atome le plus petit et le plus lourd avec une interaction électromagnétique pure. Crédit : ©Science China Press
Des découvertes récentes en physique quantique ont révélé des structures atomiques plus simples que l’hydrogène, impliquant des interactions électromagnétiques pures entre des particules comme les électrons et leurs antiparticules. Cette avancée a des implications significatives pour notre compréhension de la mécanique quantique et de la physique fondamentale, mises en évidence par de nouvelles méthodes de détection du tauonium, qui pourraient révolutionner les mesures de la physique des particules.
L'hydrogène atome était autrefois considéré comme l’atome le plus simple de la nature, composé d’un électron sans structure et d’un proton structuré. Cependant, au fur et à mesure que les recherches progressaient, les scientifiques ont découvert un type d'atome plus simple, constitué d'électrons sans structure (e– ), les muons (µ– ), ou des taons (τ– ) et leurs antiparticules tout aussi sans structure. Ces atomes sont liés uniquement par des interactions électromagnétiques, avec des structures plus simples que les atomes d'hydrogène, offrant une nouvelle perspective sur des problèmes scientifiques tels que la mécanique quantique, la symétrie fondamentale et la gravité.
Découverte des atomes à interaction électromagnétique
À ce jour, seuls deux types d'atomes avec des interactions électromagnétiques pures ont été découverts : l'état lié électron-positon découvert en 1951 (Phys Rev 1951 ; 82 : 455) et l'état lié électron-antimuon découvert en 1960 (Phys Rev Lett 1960 ; 5h63). Au cours des 64 dernières années, il n'y a eu aucun autre signe de tels atomes avec des interactions électromagnétiques pures, bien qu'il existe certaines propositions visant à les rechercher dans les rayons cosmiques ou dans des collisionneurs à haute énergie.
Le tauonium, composé d'un tauon et de son antiparticule, possède un rayon de Bohr de seulement 30,4 femtomètres (1 femtomètre = dix-15 mètres), environ 1/1741 du rayon de Bohr d'un atome d'hydrogène. Cela implique que le tauonium peut tester les principes fondamentaux de la mécanique quantique et de l’électrodynamique quantique à des échelles plus petites, fournissant ainsi un outil puissant pour explorer les mystères du monde micromatériel.
Récemment, une étude intitulée « Nouvelle méthode d'identification de l'atome QED le plus lourd » a été publiée dans la revue spécialisée Bulletin scientifique, proposant une nouvelle approche utilisée pour découvrir le tauonium. L'étude démontre qu'en collectant des données sur 1,5 ab-1 près du seuil de production de paires de tauons dans un collisionneur d'électrons et de positons, et en sélectionnant des événements de signal contenant des particules chargées accompagnées de neutrinos non détectés emportant de l'énergie, l'importance de l'observation du tauonium dépassera 5σ. Cela indique une preuve expérimentale solide de l’existence du tauonium.
Implications pour la physique fondamentale
L'étude a également révélé qu'en utilisant les mêmes données, la précision de la mesure de la masse du lepton tau peut être améliorée jusqu'à un niveau sans précédent de 1 keV, soit deux ordres de grandeur supérieurs à la plus haute précision atteinte par les expériences actuelles. Cette réalisation contribuera non seulement à tester précisément la théorie électrofaible dans le modèle standard, mais aura également de profondes implications sur des questions de physique fondamentale telles que l'universalité de la saveur des leptons.
Orientations futures de la recherche
Cette réalisation constitue l'un des objectifs physiques les plus importants du projet Super Tau-Charm Facility (STCF) en Chine ou de la Super Charm-Tau Factory (SCTF) en Russie : découvrir l'atome le plus petit et le plus lourd avec des interactions électromagnétiques pures en exécutant la machine près du seuil de la paire de tauons pendant un an et de mesurer la masse du lepton tau avec une grande précision. Ces découvertes permettront de mieux comprendre l’exploration du monde microscopique par l’humanité.
