Des physiciens ont réalisé une percée en mesurant avec précision les propriétés du monofluorure de radium, une découverte qui pourrait expliquer l'asymétrie matière-antimatière de l'univers, la raison fondamentale de notre existence. Cette recherche montre comment les propriétés uniques de la molécule pourraient être exploitées dans de futures expériences pour tester des théories qui vont au-delà du modèle standard de la physique des particules. Crédit : Issues.fr.com
Des chercheurs ont réussi à mesurer la structure quantique du monofluorure de radium (RaF) en utilisant le piégeage d'ions et des techniques laser spécialisées, permettant la caractérisation détaillée de ses niveaux d'énergie de rotation et l'établissement d'un schéma de refroidissement par laser.
Ces résultats sont cruciaux pour les futures expériences axées sur le refroidissement par laser et le piégeage des molécules RaF, qui devraient jouer un rôle important dans les études des propriétés électrofaibles nucléaires et des violations de la parité et de la symétrie d'inversion du temps, expliquant potentiellement l'asymétrie matière-antimatière de l'univers.
Pour la première fois, des physiciens nucléaires ont réalisé des mesures précises d’une molécule radioactive à courte durée de vie, le monofluorure de radium (RaF). Les chercheurs ont combiné des techniques de piégeage d’ions avec des systèmes laser spécialisés pour mesurer les détails fins de la structure quantique du RaF. Cela a permis de caractériser les niveaux d’énergie rotationnelle de cette molécule ainsi que de déterminer son schéma de refroidissement par laser. Le refroidissement par laser est une méthode qui utilise la lumière laser pour ralentir et piéger les atomes et les molécules. Ces résultats représentent une étape cruciale pour les futures expériences visant à refroidir et piéger par laser les molécules de RaF.
À l'aide de lasers à fréquence λ précisément réglée, les physiciens contrôlent les états de rotation des molécules de monofluorure de radium et excitent des niveaux de rotation spécifiques, caractérisés par le nombre quantique J. Ces excitations se manifestent sous forme de pics spectraux nets. Crédit : Silviu-Marian Udrescu
Un aperçu de la physique au-delà du modèle standard
Les scientifiques ont prédit que les molécules contenant des noyaux lourds en forme de poire, comme le radium, sont extrêmement sensibles aux propriétés électrofaibles nucléaires et à la physique au-delà du modèle standard. Cela inclut les phénomènes qui violent la parité et la symétrie de renversement du temps.
La violation du renversement temporel, au-delà des contraintes actuelles, est une condition essentielle pour expliquer l’asymétrie matière-antimatière de l’univers. Les nouveaux résultats donnent aux chercheurs une caractérisation détaillée de la structure quantique de RaF, ouvrant la voie à l’utilisation de cette molécule dans de futures expériences visant à rechercher de tels effets.
Études spectroscopiques au CERN
Les molécules radioactives contenant des noyaux octupolaires déformés, comme le radium (Ra), promettent d'être des systèmes quantiques exceptionnels pour l'étude des particules et des forces fondamentales de la nature. La forme unique en forme de poire du noyau de radium, combinée à la structure de niveau d'énergie d'une molécule polaire, peut conduire à une sensibilité accrue aux propriétés nucléaires violant la symétrie de plus de cinq ordres de grandeur par rapport aux atomes stables.
Récemment, des physiciens nucléaires du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et ses collaborateurs ont étudié pour la première fois par spectroscopie la structure détaillée du monofluorure de radium (RaF). Ils ont réalisé ce travail dans le cadre de l'expérience CRIS (Collinear Resonance Ionization Spectroscopy) de l'installation de faisceaux d'ions radioactifs Isotope Separator On Line Device de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (ISOLDE – CERN).
Progrès dans la recherche sur les molécules ultra-froides
La méthode des chercheurs a permis de cartographier, avec une grande sensibilité, les niveaux d'énergie du RaF, déterminant un schéma de refroidissement par laser pour ralentir et piéger cette molécule. Les scientifiques développent rapidement des méthodes de contrôle et d'interrogation des molécules ultra-froides. Ces méthodes, combinées aux nouvelles capacités des installations de faisceaux radioactifs à produire de grandes quantités de molécules radioactives, telles que le CERN (Suisse) et le FRIB (États-Unis), ouvrent une nouvelle frontière dans l'exploration des noyaux atomiques et la violation des symétries fondamentales de la nature.
Ce travail a été soutenu par le Bureau des sciences du Département américain de l'énergie, le Bureau de la physique nucléaire, le MISTI Global Seed Funds, la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Fondation allemande pour la recherche), l'Excellence scientifique belge (EOS), le projet KU Leuven C1, le projet International Research Infrastructures (IRI), l'accord de subvention de l'Union européenne (ENSAR2), LISA : programme-cadre H2020 de l'Union européenne et le Conseil suédois de la recherche.
