Les scientifiques proposent une nouvelle méthode pour rechercher des déviations du Modèle Standard de la physique.

29 novembre 2023

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par Whitney Clavin, California Institute of Technology

Dans la recherche de nouvelles particules et forces dans la nature, les physiciens sont à la recherche de comportements au sein des atomes et des molécules qui sont interdits par le modèle standard éprouvé de la physique des particules. Toute déviation par rapport à ce modèle pourrait indiquer ce que les physiciens appellent affectueusement la "nouvelle physique".

L'assistant professeur de physique de Caltech, Nick Hutzler, et son groupe sont à la poursuite de types spécifiques de déviations qui aideraient à résoudre le mystère de la surabondance de matière dans notre univers. Lorsque notre univers est né il y a environ 14 milliards d'années, on pense que la matière et son partenaire, l'antimatière, existaient en quantités égales.

Typiquement, la matière et l'antimatière s'annulent, mais une certaine asymétrie existait entre les différents types de particules pour faire en sorte que la matière l'emporte sur l'antimatière. Le groupe de Hutzler utilise des expériences de laboratoire pour rechercher des violations de symétrie, c'est-à-dire des comportements de particules déviants qui ont conduit à notre univers dominé par la matière.

Maintenant, dans un rapport publié dans Physical Review Letters, l'équipe, dirigée par Chi Zhang, chercheur postdoctoral David et Ellen Lee en physique à Caltech, a trouvé un moyen d'améliorer leurs études en utilisant l'intrication, un phénomène de la physique quantique où deux particules éloignées peuvent rester connectées même sans être en contact direct. L'étude s'intitule "Quantum-Enhanced Metrology for Molecular Symmetry Violation using Decoherence-Free Subspaces."

Dans ce cas, les chercheurs ont développé une nouvelle méthode pour intriquer des ensembles de molécules, qui servent de sondes pour mesurer les violations de symétrie. En intriquant les molécules, les ensembles deviennent moins sensibles au bruit de fond qui peut perturber l'expérience et plus sensibles au signal souhaité.

"C'est comme attacher ensemble un groupe de canards en caoutchouc", dit Hutzler. "Si vous vouliez mesurer le mouvement des canards dans une baignoire, ils seraient moins sensibles au bruit de fond de l'eau qui éclabousse si vous les connectiez tous ensemble. Et ils seraient plus sensibles à quelque chose que vous pouvez vouloir mesurer comme l'écoulement d'un courant car ils réagiraient tous collectivement."

"Nous voulons être sensibles à la structure des molécules", dit Zhang. "Les champs électriques et magnétiques incontrôlés de l'installation expérimentale interfèrent avec nos mesures, mais maintenant nous avons un nouveau protocole pour intriquer les molécules de manière à les rendre moins sensibles au bruit."

Plus précisément, cette nouvelle méthode peut être utilisée pour rechercher de légères inclinaisons d'électrons qui peuvent se produire en réponse à des champs électriques à l'intérieur des molécules. "Les légères rotations indiqueraient que les électrons ou les moments magnétiques nucléaires interagissent avec des champs électriques, et cela est interdit selon le modèle standard", dit Hutzler.

"D'autres approches qui utilisent l'intrication augmenteraient généralement la sensibilité au bruit", ajoute-t-il. "Chi a trouvé un moyen de réduire le bruit tout en nous donnant un gain de sensibilité grâce à l'intrication."

Une autre étude expérimentale récente publiée dans Science, dirigée par Hutzler et John M. Doyle de l'Université Harvard, a montré que les molécules polyatomiques utilisées dans ce type d'études ont d'autres capacités uniques pour se protéger du bruit électromagnétique, bien que sans le gain de sensibilité de l'intrication.

Dans cette étude, les chercheurs ont montré qu'ils peuvent ajuster la sensibilité de la molécule aux champs externes et en fait rendre la sensibilité nulle, rendant ainsi les molécules largement immunisées contre le bruit.

"Avec les avantages de l'intrication, les chercheurs peuvent pousser ces expériences pour sonder des secteurs de physique nouvelle de plus en plus exotiques", dit Hutzler.

Publié par le California Institute of Technology