Des physiciens du MIT ont développé une nouvelle méthode utilisant des molécules pour explorer l'intérieur des noyaux atomiques, en employant des électrons comme messagers dans un montage de paillasse. En étudiant le monofluorure de radium, ils ont détecté des déplacements d'énergie subtils indiquant des interactions d'électrons à l'intérieur du noyau. Cette approche pourrait aider à expliquer le déséquilibre matière-antimatière de l'univers.
Dans une étude publiée le 23 octobre dans Science, des chercheurs du MIT ont présenté une technique qui transforme les molécules en collisionneurs de particules microscopiques pour jeter un coup d'œil à l'intérieur des noyaux atomiques. Ils se sont concentrés sur le monofluorure de radium (RaF), où les électrons orbitant autour de l'atome de radium sont confinés, augmentant les chances d'entrer brièvement dans le noyau. Les méthodes traditionnelles reposent sur des accélérateurs massifs de l'échelle d'un kilomètre pour heurter des faisceaux d'électrons contre des noyaux, mais cette approche moléculaire offre une alternative compacte et de paillasse.
Les expériences, menées à l'Expérience de Spectroscopie d'Ionisation par Résonance Colinéaire (CRIS) au CERN en Suisse, ont impliqué la capture et le refroidissement de molécules de RaF, puis leur illumination avec des lasers pour mesurer précisément les énergies des électrons. L'équipe a observé un petit déplacement d'énergie — environ un millionième de l'énergie du photon du laser — suggérant que les électrons ont interagi avec des protons et des neutrons à l'intérieur du noyau, emportant un 'message nucléaire' en sortant.
"Il y a de nombreuses expériences mesurant les interactions entre noyaux et électrons à l'extérieur du noyau, et nous savons à quoi ressemblent ces interactions," a expliqué l'auteur principal Shane Wilkins, un ancien postdoc du MIT. "Quand nous avons mesuré ces énergies d'électrons très précisément, cela ne correspondait pas tout à fait à ce que nous attendions en supposant qu'ils n'interagissaient qu'à l'extérieur du noyau."
Cette avancée pave la voie pour cartographier la distribution magnétique nucléaire dans le radium, dont le noyau en forme de poire est prévu pour amplifier les signaux de violations de symétrie fondamentale. De telles violations pourraient expliquer pourquoi l'univers favorise la matière sur l'antimatière, contrairement aux attentes du Modèle Standard.
"Nos résultats posent les bases pour des études ultérieures visant à mesurer les violations de symétries fondamentales au niveau nucléaire," a déclaré le co-auteur Ronald Fernando Garcia Ruiz, professeur associé Thomas A. Franck de physique au MIT. "Cela pourrait fournir des réponses à certaines des questions les plus pressantes de la physique moderne."
La forme asymétrique du noyau de radium en charge et en masse le rend particulièrement adapté à ces sondes, comme l'a noté Garcia Ruiz : "Le noyau de radium est prévu pour être un amplificateur de cette rupture de symétrie, car son noyau est asymétrique en charge et en masse, ce qui est assez inhabituel."
Les plans futurs incluent le refroidissement des molécules pour contrôler les orientations nucléaires et traquer les violations de symétrie plus efficacement. La recherche a été soutenue en partie par le Département de l'Énergie des États-Unis, avec des co-auteurs du MIT incluant Silviu-Marian Udrescu et Alex Brinson, aux côtés de collaborateurs internationaux.