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Rond comme un électron

Représentation artistique d’un atome.Représentation artistique d’un atome. Un électron est une particule élémentaire stable chargée négativement, qui est l’une des composantes fondamentales de l’atome. Photo : iStock/EzumeImages

L’électron, cette particule élémentaire stable de charge électrique négative, est parfaitement sphérique, confirment de nouvelles mesures réalisées par une équipe internationale de physiciens.

Les électrons aident à former la structure des atomes et des molécules et peuvent s’écouler à travers des matériaux conducteurs pour créer des courants électriques; ils présentent un comportement quantique étrange qui ressemble tantôt à des particules, tantôt à des ondes.

Des scientifiques associés à l’expérience ACME ont examiné sa forme avec une précision sans précédent pour conclure qu’il était rond.

Impression artistique d’un électron orbitant autour du noyau d’un atome. Impression artistique d’un électron orbitant autour du noyau d’un atome. Photo : National Science Foundation/Nicolle R. Fuller

Ce résultat, dont les détails sont publiés dans la revue Nature (en anglais), est en conformité avec le modèle standard de la physique des particules et s’oppose à plusieurs autres théories qui étaient apparues au fil des décennies.

Ce modèle décrit avec précision toutes les mesures de physique des particules effectuées jusqu’à présent en laboratoire. Cependant, il est incapable de répondre à de nombreuses questions que soulèvent les observations cosmologiques, telles que LA NATURE DE LA MATIÈRE NOIRE ET LA RAISON POUR LAQUELLE LA MATIÈRE DOMINE L’ANTIMATIÈRE DANS L’UNIVERS.

Il donne en quelque sorte une image mathématique de la réalité, et aucune expérience de laboratoire ne l’a encore contredit à ce jour, même s’il ne peut qu’être incomplet.

«Le modèle standard actuel ne peut pas être complètement juste PARCE QU’IL NE PEUT PAS PRÉDIRE POURQUOI L’UNIVERS EXISTE. C’est une brèche assez importante à combler dans nos connaissances.»

—Gerald Gabrielse, professeur à l’Université Northwestern et membre de l’expérience ACME

Le modèle standard
•Les théories et les découvertes de milliers de physiciens au cours du siècle dernier ont permis une compréhension remarquable de la structure fondamentale de la matière.
•L’Univers est fait de douze constituants de base appelés particules fondamentales, et il est gouverné par quatre forces fondamentales.
•C’est le modèle standard de la physique des particules qui nous aide le mieux à comprendre la façon dont ces douze particules sont reliées entre elles.
•Élaboré au début des années 1970, il a permis d’expliquer les résultats d’un grand nombre d’expériences et de prédire avec exactitude une grande variété de phénomènes.
•Avec le temps, et bien des expériences plus tard, le modèle standard s’est imposé comme une théorie ayant de solides fondements expérimentaux.
•Tout ce qui nous entoure est constitué de particules de matière divisées en deux familles : les quarks et les leptons.
•Chaque groupe compte six particules qui se regroupent en paires ou « générations ».
•Les particules les plus légères et les plus stables appartiennent à la première génération, tandis que les plus lourdes et plus instables constituent la deuxième et la troisième génération.
•Toute la matière stable de l’Univers est composée de particules faisant partie de la première génération, car les autres particules se désintègrent rapidement pour se transformer en particules plus stables.

(Source : Organisation européenne pour la recherche nucléaire)

De nombreuses théories parallèles sont donc apparues pour tenter d’« arranger » le modèle standard, et l’une d’entre elles veut que la sphère apparemment uniforme d’un électron soit en fait écrasée de manière asymétrique.

Ce modèle supersymétrique postule que des particules subatomiques lourdes et inconnues influencent l’électron à modifier sa forme parfaitement sphérique, un phénomène non prouvé appelé « moment dipôle électrostatique ».

Ainsi, selon ce modèle, ces particules qui n’ont toujours pas été identifiées pourraient être responsables de certains aspects toujours inexpliqués de l’Univers. Elles pourraient en fait expliquer pourquoi l’Univers est composé de matière plutôt que d’antimatière.

«Presque tous les modèles alternatifs prédisent qu’un électron peut bien être écrasé, mais nous n’avions tout simplement pas tenté de clairement l’établir. C’est pourquoi nous avons décidé de l’observer avec une précision inégalée à ce jour.»

—Gerald Gabrielse

Pour y arriver, les chercheurs ont lancé un faisceau de molécules d’oxyde de thorium froid dans une chambre de la taille d’un grand bureau. Ils ont ensuite étudié la lumière émise par les molécules.

Si la lumière était apparue tordue, cela aurait indiqué un moment dipôle électrique. Or, comme la lumière ne s’est pas tordue, les scientifiques ont conclu que la forme de l’électron était ronde, conformément à la prédiction du modèle standard.

Ces travaux n’apportent donc aucune preuve de l’existence d’un moment dipolaire électrique, ce qui ne permet pas de penser qu’il existe des particules plus lourdes.

Si ces particules existaient, leurs propriétés différeraient de celles prévues par les modèles alternatifs décrits à ce jour.

«Si nous avions découvert que sa forme n’était pas ronde, cela aurait été la plus grande nouvelle en physique des dernières décennies.»

—Gerald Gabrielse

Quand même, les présents résultats renforcent le modèle standard de la physique des particules et permettent d’exclure les modèles alternatifs actuels.

« Nous devons sérieusement repenser certaines des théories alternatives », conclut David DeMille, professeur de physique à l’Université Yale.

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