La liaison expérimentale la plus précise au moment dipolaire électrique de l’électron

Le modèle standard d’interaction faible présente une asymétrie CP (ou T), puis prédit un moment dipolaire électrique pour les leptons. En tenant compte des contributions QCD, la meilleure estimation pour l’électron est de 5,8×10⁻⁴⁰ e cm, pour le muon de 1,4×10⁻³⁸ e cm et pour le tauon de −7,3×10⁻³⁸ e cm (le tout à 68 % confiance). Ces valeurs sont impossibles à mesurer avec la métrologie actuelle. Une estimation différente a été proposée, qui inclut les effets associés à la matrice CKM (Cabibbo – Kobayashi – Maskawa), qui permet d’estimer le moment dipolaire électrique paramagnétique de l’électron à 1,0 × 10⁻³⁵ e cm. Une valeur qui est encore très loin de ce qui peut être mesuré. La mesure la plus précise de l’électron a été publiée dans Science en 2023, une valeur −1,3 ± 2,0(stat) ±0,6(syst) × 10⁻³⁰ e cm, qui offre une limite supérieure de 4,1×10⁻³⁰ e cm à un niveau de confiance de 90 %. La nouvelle valeur améliore la précédente d’un facteur d’environ 2,4. Une belle réussite, mais qui nous laisse du miel sur les lèvres, car elle reste encore à cinq ordres de grandeur des estimations les plus optimistes et à dix ordres de grandeur des estimations les plus réalistes.

L’objectif des expériences de mesure de l’EDM électronique n’est pas de mesurer l’EDM électronique, car cela est trop éloigné de la métrologie actuelle. L’idée est d’explorer une physique possible au-delà du modèle standard, de nouvelles particules et de nouvelles interactions fondamentales dont le vide modifie l’EDM de l’électron de plusieurs ordres de grandeur. L’asymétrie matière-antimatière primordiale nécessite une asymétrie CP plus grande que celle observée dans le modèle standard ; On pense que son origine pourrait être la physique des neutrinos, mais cela pourrait être dû à une nouvelle physique. Les limites maximales de la valeur EDM fixent des limites sur l’échelle d’énergie minimale à laquelle la physique peut apparaître au-delà du modèle standard qui modifie sa valeur. Cela dépend du modèle efficace pour ladite physique, mais le nouveau résultat fixe une limite minimale à la masse des nouvelles particules non encore découvertes d’environ 40 TeV (bien entendu, la limite dépend des détails du modèle efficace pour lesdites particules). Au-delà de ce qui est réalisable au LHC et au futur HL-LHC, une telle échelle pourrait être à la portée des futurs collisionneurs hadroniques, tels que les potentiels FCC (Futur collisionneur circulaire) au CERN ou au SPPC (Super collisionneur proton-proton) en Chine; Mais au moment où ces mégaprojets seront approuvés, l’estimation EDM aura peut-être été améliorée et la limite inférieure pourrait dépasser 100 TeV.

Personne n’a dit qu’il était facile de tester les prédictions du modèle standard ou de trouver des indices sur une nouvelle physique. La nouvelle estimation a été publiée dans Tanya S. Roussy, Luke Caldwell, …, Eric A. Cornell, « An améliorée limite sur le moment dipolaire électrique de l’électron », Science 381 : 46-50 (6 juillet 2023), doi : https://doi.org/10.1126/science.adg4084, arXiv:2212.11841 [physics.atom-ph] (22 déc. 2022) ; plus d’informations divulguées dans Mingyu Fan, Andrew Jayich, « Probing fundamental particles with molecules. Molecular spectroscopy constrains the size of the electron’s electric dipole moment », Science 381 : 28-29 (06 juil. 2023), doi : https://doi.org/10.1126/science.adi8499; Zack Savitsky, « L’électron est si rond qu’il exclut de nouvelles particules potentielles », Quanta Magazine, 10 avril 2023 (traduit en espagnol par César Tomé, “L’électron est si rond qu’il rejette de nouvelles particules”, Cahier de culture scientifique, 18 avril 2023.

Les estimations théoriques les plus précises des moments dipolaires électriques des leptons proviennent de Yasuhiro Yamaguchi, Nodoka Yamanaka, “Large Long-Distance Contributions to the Electric Dipole Moments of Charged Leptons in the Standard Model”, Phys Rev. Lett. 125 : 241802 (10 décembre 2020), est ce que je : https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.241802, arXiv:2003.08195 [hep-ph] (18 mars 2020), et de Yohei Ema, Ting Gao, Maxim Pospelov, « Prédiction du modèle standard pour les moments dipolaires électriques paramagnétiques », Phys. Rev. Lett. 129 : 231801 (28 novembre 2022), doi : https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.231801, arXiv:2202.10524 [hep-ph] (21 février 2022).

Le moment dipolaire électrique de l’électron (dₑ) est proportionnel à sa rotation (m), dₑ = dₑ m. Pour un électron dans un niveau d’énergie d’un atome ou d’une molécule, en appliquant un champ électrique externe intense (E), son énergie est modifiée en −dₑ· E = −dₑ E cos θ, où θ est l’angle entre les vecteurs dₑ et E. L’idée de l’expérience est de mesurer comment cette énergie change lorsque E est aligné et anti-aligné avec la rotation m. L’ampleur du changement d’énergie dépend du champ électrique, c’est pourquoi les expériences utilisent des électrons dans des molécules polaires, où ils sont soumis à des champs électriques intramoléculaires qui peuvent être cent mille fois supérieurs à ceux qui peuvent être appliqués en laboratoire. Pour modifier l’angle entre dₑ et E De petits champs électriques externes sont utilisés pour réorienter l’axe de la molécule dipolaire. Dans l’article de Science Les ions moléculaires HfF²⁺ (deux fluorures de hafnium positifs) sont utilisés dans un champ électrique externe de ≈ 58 V/cm/s. Ce champ déploie les niveaux d’énergie ; Sur le côté gauche de la figure, sont représentés les niveaux du champ parallèle à l’axe de la molécule (couleur orange) ou antiparallèle (couleur bleue). Un petit champ magnétique permet de réorienter le spin de l’électron entre ses états alignés ou anti-alignés, avec lesquels l’énergie va changer de ± 2 dₑ E (E étant le champ électrique effectif sur l’électron).

Dans les expériences, le comportement oscillatoire des niveaux d’énergie est observé pour environ ≈ 120 ions HfF²⁺ piégés dans le piège à ions pendant environ 3 secondes. Le comportement oscillatoire observé est illustré dans cette figure (qui est la moyenne de 60 cycles de collecte de données de l’expérience). Les résultats sont incompatibles avec l’observation du moment dipolaire électrique de l’électron, ils permettent donc de fixer une limite supérieure à sa valeur. Pour cela, une analyse théorique des observations est réalisée.

La mesure finale a été obtenue après avoir collecté 1 370 résultats pendant environ 2 mois (environ 620 heures de collecte de données pour environ cent millions de détections d’ions). Les résultats apparaissent dans la figure qui ouvre cette pièce (je vous recommande d’y jeter un œil à nouveau). Les résultats sont centrés sur zéro, suivant une distribution normale similaire à celle attendue pour le bruit instrumental. Le résultat est une valeur d’une valeur dₑ = −1,3 ± 2,0 (erreur statistique) ±0,6 (erreur systématique) × 10⁻³⁰ e cm, compatible avec une valeur dₑ