Pendant des décennies, les physiciens ont cherché à percer les secrets contenus dans le noyau d’un atome, en utilisant traditionnellement des collisionneurs de particules massifs et complexes pour bombarder les noyaux d’électrons. Ces installations, qui s’étendent souvent sur des kilomètres, accélèrent les électrons à des vitesses incroyablement élevées dans le but de comprendre les éléments fondamentaux de la matière. Cependant, une nouvelle étude propose une approche radicalement différente : utiliser les propres électrons d’un atome comme « messagers » miniatures au sein d’une seule molécule, créant ainsi une nouvelle façon d’étudier les interactions nucléaires sans avoir besoin d’une énorme infrastructure.
Un « collisionneur » moléculaire
La technique innovante de l’équipe de recherche consiste à associer un atome de radium à un atome de fluor pour former une molécule de monofluorure de radium. En exploitant les propriétés uniques de cette structure moléculaire, ils ont généré un « collisionneur » microscopique dans lequel les électrons de l’atome de radium pénètrent momentanément dans son noyau. Les chercheurs ont ensuite pu mesurer avec précision les énergies de ces électrons au sein de la molécule, révélant des changements subtils indiquant que les électrons pénétraient effectivement brièvement dans le noyau et interagissaient avec son contenu.
Dévoilement des violations de la symétrie nucléaire
Cette avancée présente un potentiel important pour mesurer la distribution magnétique d’un noyau, également connue sous le nom de la façon dont sa disposition des protons et des neutrons influence ses propriétés magnétiques. L’équipe souligne que cette recherche représente une première étape, mais elle prévoit d’utiliser cette méthode pour acquérir de nouvelles connaissances sur le noyau du radium et, à terme, résoudre certains des mystères les plus profonds de la physique.
Une énigme persistante en cosmologie est le déséquilibre flagrant entre la matière et l’antimatière dans l’Univers observable. Les modèles actuels suggèrent que le tout premier Univers aurait dû contenir des quantités à peu près égales de chacun ; cependant, l’antimatière est remarquablement rare aujourd’hui. Les scientifiques émettent l’hypothèse que les indices de cette asymétrie pourraient résider dans le fonctionnement interne de certains noyaux atomiques. Le radium se distingue comme un candidat prometteur en raison de sa forme inhabituelle en forme de poire, une asymétrie qui peut amplifier le potentiel d’observation de violations des symétries fondamentales.
Défis et perspectives d’avenir
Malgré les résultats prometteurs, les chercheurs reconnaissent les défis associés à l’étude du radium. En tant qu’élément naturellement radioactif à courte durée de vie, les molécules de monofluorure de radium ne peuvent être produites qu’en quantités infimes, ce qui nécessite des techniques de mesure incroyablement sensibles.
“Lorsque vous placez cet atome radioactif à l’intérieur d’une molécule, le champ électrique interne que subissent ses électrons est d’un ordre de grandeur plus grand que celui que nous pouvons produire et appliquer en laboratoire”, explique Silviu-Marian Udrescu, physicien à l’Université Johns Hopkins. “D’une certaine manière, la molécule agit comme un collisionneur de particules géant et nous donne une meilleure chance de sonder le noyau du radium.”
En confinant et en refroidissant les molécules de monofluorure de radium, puis en utilisant des lasers pour mesurer les énergies électroniques, les chercheurs ont pu détecter des changements subtils dans les données indiquant des interactions nucléaires.
“Nous avons désormais la preuve que nous pouvons échantillonner à l’intérieur du noyau. C’est comme si nous pouvions mesurer le champ électrique d’une batterie. Les gens peuvent mesurer son champ à l’extérieur, mais mesurer à l’intérieur de la batterie est bien plus difficile. Et c’est ce que nous pouvons faire maintenant”, déclare Ronald Fernando Garcia Ruiz, physicien au MIT et co-auteur de l’étude.
Cette découverte pourrait transformer fondamentalement la façon dont les physiciens étudient les noyaux atomiques, ouvrant de nouvelles voies pour explorer les symétries fondamentales de la nature. L’équipe de recherche est optimiste quant au fait que les molécules contenant du radium se révéleront être des systèmes exceptionnellement sensibles pour rechercher ces violations de symétrie, et elle dispose désormais d’un nouvel outil pour mener à bien cette recherche.
