L'équipe de chercheurs parisiens a réalisé la mesure la plus précise de la constante de structure fine à ce jour, nous enlevant tout espoir de l'existence d'une interaction inconnue dans la nature.
La constante de structure fine a été introduite en 1916 pour quantifier l'espacement entre deux raies dans le spectre des couleurs émises par certains atomes. Sur la photo, des fréquences densément localisées sont visibles à travers le résonateur Fabry - Pérot,
parmi les constantes fondamentales, la plus connue est la vitesse de la lumière c. Cependant, sa valeur numérique ne nous dit rien sur la nature - elle dépend des unités de mesure, qu'il s'agisse de mètres par seconde ou de miles par heure. En revanche, la constante de structure fine n'a pas de dimension. C'est un chiffre qui a un impact énorme sur l'univers. Richard Feynman a écrit que c'est "un nombre magique que nous avons trouvé sans aucune compréhension." Paul Dirac considérait l'origine de ce nombre comme "le plus fondamental des problèmes non résolus en physique".
La valeur de la constante de structure fine, désignée par la lettre grecque α, est très proche de la fraction 1/137. On le trouve souvent dans les équations décrivant le comportement de la lumière et de la matière. «En architecture, par exemple, le nombre d'or est courant», a déclaré Eric Cornell , physicien à l'Université du Colorado et au National Institute of Standards and Technology et lauréat du prix Nobel. «Et dans la physique de la matière à basse énergie - atomes, molécules, chimie, biologie - le rapport des tailles plus grandes aux plus petites est constamment rencontré. Et ces rapports se révèlent souvent être des degrés de structure fine constante. "
La constante est omniprésente car elle décrit la force de la force électromagnétique agissant sur les particules chargées - électrons et protons. «Dans le monde de tous les jours, nous sommes confrontés à la gravité ou à l'électromagnétisme. C'est pourquoi l'alpha est si important », a déclaré Holger Mueller , physicien à l'Université de Californie à Berkeley. 1/137 n'est pas grand-chose et l'influence de l'électromagnétisme est faible. En conséquence, les particules chargées forment principalement des atomes vides, dans lesquels les électrons se déplacent sur des orbites distantes et en sont facilement arrachés. Cela conduit à la formation de liaisons chimiques. D'un autre côté, la constante est suffisamment grande - si elle était plus proche de 1/138, le carbone ne serait pas créé dans les étoiles et la vie qui nous est familière ne pourrait pas apparaître.
Depuis près d'un siècle, les physiciens sont obsédés par le désir de découvrir pourquoi la valeur de l'alpha s'est avérée être ainsi. Mais aujourd'hui, ils se sont pratiquement refroidis à cette question et reconnaissent que la valeur des constantes fondamentales peut être aléatoire, déterminée par le lancer des dés cosmiques à la naissance de l'univers. Maintenant, ils ont un nouvel objectif.
Les physiciens veulent mesurer la valeur de la constante de structure fine aussi précisément que possible. Comme on le trouve partout, sa signification précise leur permet de tester leur théorie de la relation des particules élémentaires. À savoir, un magnifique ensemble d'équations connu sous le nom de modèle standard de physique des particules... Tout écart entre les valeurs mesurées avec précision peut indiquer l'existence de nouvelles particules ou d'effets non pris en compte par les équations standard. Cornell appelle ces mesures précises la troisième façon de découvrir expérimentalement les principes fondamentaux de l'univers - après les accélérateurs de particules et les télescopes.
En décembre 2020, une équipe de quatre physiciens dirigée par Saida Gelati-Khalifa du laboratoire Kastler-Brossel à Paris a publié dans Nature un nouvel article présentant la mesure la plus précise de la constante de structure fine à ce jour. L'équipe a reçu la valeur d'une constante jusqu'à 11 chiffres: α = 1 / 137,035999206.
Avec une erreur de seulement 81 trillions, la nouvelle valeur est trois fois plus précise que la précédente , réalisée en 2018 par le principal concurrent de l'équipe, le groupe Mueller à Berkeley. Avant Müller, Gelati-Khalifa a reçu la valeur la plus précise à ce moment-là en 2011. De la nouvelle valeur reçue par leurs rivaux, Müller a déclaré: «Trois fois, c'est sérieux. Vous pouvez appeler cela une excellente réalisation sans trop d'hésitation. "
Saida Gelati-Khalifa dans son laboratoire parisien
Gelati Khalifa améliore son expérience depuis 22 ans. Il mesure la constante de structure fine en mesurant la quantité de déviation des atomes de rubidium lorsqu'ils absorbent un photon. Müller fait de même avec les atomes de césium. La vitesse de déflexion caractérise la masse des atomes de rubidium - dans une formule simple pour la constante de structure fine, c'est le terme le plus difficile à mesurer. «Le goulot d'étranglement est toujours la valeur mesurée la moins précise, donc toute amélioration dans ce domaine conduit à un affinement de la constante de structure fine», explique Müller.
Les expérimentateurs parisiens ont commencé par refroidir les atomes de rubidium à un zéro quasi absolu, puis les jeter dans une chambre à vide. Alors que le nuage d'atomes descendait, les chercheurs ont utilisé des impulsions laser pour les amener dans une superposition quantique de deux états - en collision avec un photon et non en collision. Les deux versions probables de chaque atome se déplaçaient le long de chemins séparés jusqu'à ce que de nouvelles impulsions laser convergent vers les moitiés de la superposition. Plus l'atome déviait lors de la collision avec un photon, plus il différait en phase de son autre version, qui ne heurtait pas le photon. Les chercheurs ont mesuré cette différence en calculant le taux de déflexion. «À partir du taux de déflexion, nous obtenons la masse de l'atome, et la masse de l'atome détermine directement la constante de structure fine», a déclaré Gelati-Khalifa.
Dans des expériences aussi précises, chaque petite chose compte. Le premier tableau du nouveau travail montre le «budget d'erreur» - 16 sources d'erreurs et d'imprécisions possibles qui affectent le résultat final. Cela inclut la gravité et la force de Coriolis due à la rotation de la Terre, qui ont toutes deux été soigneusement calculées et prises en compte dans les mesures. La plus grande contribution au budget d'erreur vient des inconvénients du laser, que les scientifiques améliorent constamment depuis de nombreuses années.
Le plus dur pour Gelati Khalifa est de savoir quand s'arrêter et publier les résultats. Lui et l'équipe se sont arrêtés le 17 février 2020 - lorsque le coronavirus prenait de l'ampleur en France. Lorsqu'on lui a demandé si la décision d'un scientifique sur le moment de publier une œuvre est comme celle d'un artiste sur le moment où une peinture doit être considérée comme terminée. Gelati Khalifa a répondu: "Exactement, précisément, précisément."
Ce fut une surprise que le résultat de ses mesures diffère du résultat de Mueller de 2018 en dixième position après la virgule décimale - cette différence est supérieure à l'erreur des deux mesures. Cela signifie qu'à l'exception des différences fondamentales entre le rubidium et le césium, une ou les deux mesures peuvent contenir une erreur non prise en compte. La mesure du groupe parisien est plus précise, elle a donc un avantage pour l'instant, mais les deux équipes vont améliorer leur configuration expérimentale et réessayer.
Bien que les deux mesures soient différentes, elles sont proches de la valeur alpha obtenue à partir de mesures précises du facteur g . électron - une constante associée à son moment magnétique, en fait, le couple qu'il subit dans un champ magnétique. «La constante de structure fine peut être liée au facteur g grâce à un vaste ensemble de formules», a déclaré Cornell. "Et s'il n'y avait pas assez d'effets physiques dans les équations du modèle standard, nous aurions les mauvaises réponses."
Mais en fait, toutes les mesures sont en parfait accord, ce qui rejette pour la plupart certaines hypothèses sur l'existence de nouvelles particules. La coïncidence des meilleures mesures du facteur g et de la mesure par Mueller en 2018 a été saluée comme le plus grand triomphe du modèle standard. Le nouveau résultat de Gelati Khalifa est encore meilleur en ligne avec les attentes. «C'est la meilleure adéquation entre la théorie et l'expérience», dit-elle.
Et pourtant, Mueller et lui sont déterminés à améliorer encore les expériences. L'équipe de Berkeley est passée à un nouveau laser avec un faisceau plus large (qui permettra de tirer plus uniformément sur le nuage d'atomes de césium). L'équipe parisienne prévoit de remplacer la chambre à vide et d'apporter d'autres améliorations.
Quel genre de personne faut-il être pour dépenser autant d'énergie sur un résultat aussi modeste? Gelati Khalifa a nommé trois propriétés: "Vous devez être scrupuleux, ardent et honnête avec vous-même." Mueller a déclaré: «Je pense que tout cela est très intéressant. Personnellement, j'adore fabriquer de nouveaux équipements brillants. Et appliquez-les à certaines choses importantes. " Il a noté que personne ne peut construire à lui seul un collisionneur à haute énergie comme le grand collisionneur de hadrons européen. Cependant, lors de l'assemblage d'un instrument ultra-précis, «il est possible d'effectuer des mesures importantes pour la physique fondamentale, en ne travaillant que trois ou quatre d'entre nous».