Les physiciens du MIT ont développé une nouvelle façon de sonder l'intérieur du noyau d'un atome, en utilisant les propres électrons de l'atome comme « messagers » au sein d'une molécule.
Dans une étude parue aujourd'hui dans la revue Scienceles physiciens ont mesuré avec précision l'énergie des électrons tournant autour d'un atome de radium qui avait été associé à un atome de fluorure pour former une molécule de monofluorure de radium. Ils ont utilisé l'environnement des molécules comme une sorte de collisionneur de particules microscopiques, qui contenait les électrons de l'atome de radium et les encourageait à pénétrer brièvement dans le noyau de l'atome.
En règle générale, les expériences visant à sonder l’intérieur des noyaux atomiques impliquent des installations massives, longues de plusieurs kilomètres, qui accélèrent des faisceaux d’électrons à des vitesses suffisamment rapides pour entrer en collision avec les noyaux et les briser. La nouvelle méthode basée sur les molécules de l’équipe offre une alternative de table pour sonder directement l’intérieur du noyau d’un atome.
Dans les molécules de monofluorure de radium, l'équipe a mesuré les énergies des électrons d'un atome de radium lorsqu'ils se déplaçaient à l'intérieur de la molécule. Ils ont discerné un léger changement d'énergie et ont déterminé que les électrons devaient avoir brièvement pénétré le noyau de l'atome de radium et interagi avec son contenu. Au fur et à mesure que les électrons repartaient, ils conservaient ce changement d'énergie, fournissant un « message » nucléaire qui pouvait être analysé pour détecter la structure interne du noyau de l'atome.
La méthode de l’équipe offre une nouvelle façon de mesurer la « distribution magnétique » nucléaire. Dans un noyau, chaque proton et neutron agissent comme un petit aimant et s'alignent différemment selon la façon dont les protons et les neutrons du noyau sont répartis. L’équipe prévoit d’appliquer sa méthode pour cartographier avec précision cette propriété du noyau de radium pour la première fois. Ce qu’ils découvrent pourrait aider à répondre à l’un des plus grands mystères de la cosmologie : pourquoi voyons-nous beaucoup plus de matière que d’antimatière dans l’univers ?
« Nos résultats jettent les bases d'études ultérieures visant à mesurer les violations des symétries fondamentales au niveau nucléaire », déclare le co-auteur de l'étude Ronald Fernando Garcia Ruiz, professeur agrégé de physique Thomas A. Franck au MIT. « Cela pourrait apporter des réponses à certaines des questions les plus urgentes de la physique moderne. »
Les co-auteurs de l'étude au MIT comprennent Shane Wilkins, Silviu-Marian Udrescu et Alex Brinson, ainsi que des collaborateurs de plusieurs institutions, dont l'expérience de spectroscopie d'ionisation par résonance colinéaire (CRIS) au CERN en Suisse, où les expériences ont été réalisées.
Piège moléculaire
Selon la meilleure compréhension des scientifiques, il devait y avoir des quantités presque égales de matière et d'antimatière lorsque l'univers a vu le jour. Cependant, l’écrasante majorité de ce que les scientifiques peuvent mesurer et observer dans l’univers est constituée de matière, dont les éléments constitutifs sont les protons et les neutrons contenus dans les noyaux atomiques.
Cette observation contraste fortement avec ce que prédit notre meilleure théorie de la nature, le modèle standard, et on pense que des sources supplémentaires de violation fondamentale de la symétrie sont nécessaires pour expliquer l’absence presque totale d’antimatière dans notre univers. De telles violations pourraient être observées au sein des noyaux de certains atomes comme le radium.
Contrairement à la plupart des noyaux atomiques, qui sont de forme sphérique, le noyau de l’atome de radium a une configuration plus asymétrique, semblable à celle d’une poire. Les scientifiques prédisent que cette forme de poire pourrait améliorer considérablement leur capacité à détecter les violations des symétries fondamentales, dans la mesure où elles pourraient être potentiellement observables.
« Le noyau du radium devrait être un amplificateur de cette rupture de symétrie, car son noyau est asymétrique en termes de charge et de masse, ce qui est assez inhabituel », explique Garcia Ruiz, dont le groupe s'est concentré sur le développement de méthodes permettant de sonder les noyaux de radium à la recherche de signes de violation fondamentale de la symétrie.
Observer l’intérieur du noyau d’un atome de radium pour étudier les symétries fondamentales est un exercice incroyablement délicat.
« Le radium est naturellement radioactif, avec une durée de vie courte et nous ne pouvons actuellement produire des molécules de monofluorure de radium qu'en quantités infimes », explique l'auteur principal de l'étude, Shane Wilkins, ancien postdoctorant au MIT. « Nous avons donc besoin de techniques incroyablement sensibles pour pouvoir les mesurer. »
L’équipe a réalisé qu’en plaçant un atome de radium dans une molécule, elle pouvait contenir et amplifier le comportement de ses électrons.
« Lorsque vous placez cet atome radioactif à l'intérieur d'une molécule, le champ électrique interne que subissent ses électrons est d'un ordre de grandeur plus grand que celui que nous pouvons produire et appliquer en laboratoire », explique Silviu-Marian Udrescu Ph.D., co-auteur de l'étude. « D'une certaine manière, la molécule agit comme un collisionneur de particules géant et nous donne une meilleure chance de sonder le noyau du radium. »
Changement énergétique
Dans leur nouvelle étude, l’équipe a d’abord associé des atomes de radium à des atomes de fluorure pour créer des molécules de monofluorure de radium. Ils ont découvert que dans cette molécule, les électrons de l’atome de radium étaient efficacement comprimés, augmentant ainsi les chances pour les électrons d’interagir avec le noyau du radium et de pénétrer brièvement.
L’équipe a ensuite piégé et refroidi les molécules et les a envoyées à travers un système de chambres à vide, dans lesquelles elles ont également envoyé des lasers, qui ont interagi avec les molécules. Les chercheurs ont ainsi pu mesurer avec précision les énergies des électrons à l’intérieur de chaque molécule.
Lorsqu’ils ont compté les énergies, ils ont constaté que les électrons semblaient avoir une énergie légèrement différente de celle attendue par les physiciens s’ils ne pénétraient pas dans le noyau. Bien que ce changement d’énergie soit faible – seulement un millionième de l’énergie du photon laser utilisé pour exciter les molécules – il témoigne sans ambiguïté de l’interaction des électrons des molécules avec les protons et les neutrons à l’intérieur du noyau du radium.
« Il existe de nombreuses expériences mesurant les interactions entre noyaux et électrons en dehors du noyau, et nous savons à quoi ressemblent ces interactions », explique Wilkins. « Lorsque nous avons mesuré très précisément ces énergies électroniques, cela ne correspondait pas tout à fait à ce à quoi nous nous attendions, en supposant qu'ils interagissaient uniquement à l'extérieur du noyau. Cela nous a dit que la différence devait être due aux interactions électroniques à l'intérieur du noyau. »
« Nous avons maintenant la preuve que nous pouvons échantillonner l'intérieur du noyau », explique Garcia Ruiz. « C'est comme être capable de mesurer le champ électrique d'une batterie. Les gens peuvent mesurer son champ à l'extérieur, mais mesurer à l'intérieur de la batterie est bien plus difficile. Et c'est ce que nous pouvons faire maintenant. »
À l’avenir, l’équipe prévoit d’appliquer la nouvelle technique pour cartographier la répartition des forces à l’intérieur du noyau. Jusqu’à présent, leurs expériences ont porté sur des noyaux de radium placés dans des orientations aléatoires à l’intérieur de chaque molécule à haute température. Garcia Ruiz et ses collaborateurs aimeraient pouvoir refroidir ces molécules et contrôler l'orientation de leurs noyaux en forme de poire afin de pouvoir cartographier avec précision leur contenu et traquer la violation des symétries fondamentales.
« Les molécules contenant du radium devraient être des systèmes exceptionnellement sensibles dans lesquels rechercher des violations des symétries fondamentales de la nature », explique Garcia Ruiz. « Nous disposons désormais d'un moyen de mener à bien cette recherche. »
