Financement de 2 millions pour la quête d’une nouvelle physique

De quoi est faite la matière qui nous entoure et comment ses plus petits composants interagissent-ils? C’est ce qu’explique le modèle standard de la physique des particules. On sait toutefois depuis longtemps que ce modèle, aussi concluant soit-il, ne peut pas expliquer toutes les observations effectives. Tout d'abord, il ne peut pas expliquer pourquoi il n'est pas resté la même quantité de matière et d'antimatière après le big bang, ce qui aurait entraîné leur extinction totale. Pour résumer: le fait que nous observions de la matière dans l’Univers nécessite une nouvelle physique au-delà du modèle standard.

Les muons peuvent contribuer à la quête d’une nouvelle physique

Philipp Schmidt-Wellenburg est notamment sur la piste de cette nouvelle physique au PSI. Il veut dans ce but mettre sur pied une nouvelle expérience qui portera le nom de muEDM et utilisera des particules élémentaires appelées muons. Les muons ressemblent aux électrons mais ils sont environ 200 fois plus lourds. Philipp Schmidt-Wellenburg mesurera, avec une précision jamais atteinte jusqu’ici, une propriété des muons: leur moment dipolaire électrique. Pour ce faire, il a obtenu un financement d’environ deux millions de francs suisses après avoir été sélectionné par le Conseil européen de la recherche (CER).

«Le PSI est l’endroit parfait pour une telle expérience, explique Philipp Schmidt-Wellenburg, car nous avons ici la plus puissante source de muons du monde de ce type.»

Grâce à cette subvention, il pourra engager trois doctorants et deux post-doctorants. Avec eux, il développera et mettra en œuvre, pendant les cinq ans de la période de financement, une expérience avant-gardiste à l’une des sources de muons du PSI.

Complément à des expériences dans le monde entier

«Cette expérience n’a encore jamais été effectuée nulle part», fait valoir le physicien. Il est toutefois confiant quant à son succès. Un groupe de recherche du Fermilab à Chicago, aux Etats-Unis, a en effet mesuré une autre propriété du muon, son moment dipolaire magnétique. Et il a mis en évidence une forte disparité avec la valeur prédite par le modèle standard.

A côté d’autres expériences dans le monde – le Large Hadron Collider LHC du CERN à Genève a ainsi trouvé un écart par rapport au modèle standard lors de la désintégration de mésons B –, le PSI mène aussi depuis de nombreuses années une recherche qui pourrait conduire sur la piste de cette nouvelle physique. Il s’agit de l’expérience nEDM qui mesure le moment dipolaire électrique du neutron et à laquelle Philipp Schmidt-Wellenburg a lui-même collaboré dans le passé. «L’expérience prévue maintenant avec des muons est une nouvelle approche qui pourrait nous donner des indications décisives sur cette nouvelle physique», estime-t-il. Le fait que son projet de recherche ait maintenant été choisi par le CER aura pour effet qu’il se consacrera à l’avenir moins aux neutrons et plus aux muons.

Cette subvention ne sera toutefois pas versée par le CER lui-même. Comme la Suisse ne fait plus partie depuis cette année du système européen de financement de la recherche, le montant prévu lui sera alloué en Suisse par le Secrétariat d’Etat à la formation, à la recherche et à l’innovation.

Muons sur l’orbite

Selon Philipp Schmidt-Wellenburg, son expérience ne prendra pas plus de place qu’une table de cuisine et sera donc beaucoup plus compacte que le dispositif de 14 mètres de l’expérience sœur du Fermilab. L’une des particularités auxquelles le physicien aura recours est une combinaison unique en son genre alliant un puissant champ magnétique et un puissant champ électrique. Comme les muons sont des particules chargées électriquement, ils peuvent être mis sur une orbite par des aimants. L’expérience muEDM est censée mesurer la manière dont avec le temps le spin des muons se démarque du mouvement circulaire des particules. Le spin d’un muon est une propriété quantique de la particule que l’on peut comparer, pour faire simple, à un minuscule barreau aimanté. Le spin a ainsi une direction qui réagit à certaines influences. La combinaison avec le puissant champ électrique maintiendrait certes le spin sur l’orbite, mais uniquement si le muon n’a pas de moment dipolaire électrique. Dit autrement, si un changement dans la direction du spin du muon s’avère mesurable, les chercheurs pourront alors détecter le moment dipolaire électrique du muon et le mesurer.

«Si nous pouvons mesurer un changement dans la direction des spins des muons, alors que les muons restent eux-mêmes sur cette orbite, nous pourrons en conclure des effets physiques qui sont à la base de la physique au-delà du modèle standard et qui, espérons-le, nous expliqueront un jour pourquoi il y avait bien plus de matière que d’antimatière après le Big Bang», remarque Philipp Schmidt-Wellenburg.

Il n’est pas le seul à être impatient de connaître les résultats de sa nouvelle expérience. «Soutenir ce projet au PSI a un grand intérêt à l’échelle internationale. Des chercheurs en Angleterre, en Italie, en Allemagne et aux Etats-Unis ont déjà annoncé vouloir y participer. Je me réjouis aussi de cette collaboration», affirme le physicien.

Texte: Institut Paul Scherrer/Laura Hennemann

Text: Paul Scherrer Institut/Laura Hennemann

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