Le deutéron est le noyau atomique le plus simple qui existe : un proton et un neutron liés par la force nucléaire forte. C’est précisément cette simplicité qui le rend précieux aux physiciens. Dans un système ne comportant que deux particules, les prédictions théoriques peuvent être réalisées avec une précision inhabituellement élevée – et tout écart par rapport à ces prédictions devient un signal clair de quelque chose de nouveau.
Une nouvelle mesure de la collaboration JEDI (Jülich Electric Dipole moment Investigations) à l’anneau de stockage COSY du Forschungszentrum Jülich, en Allemagne, a placé la première limite expérimentale directe sur la question de savoir si le deutéron possède un moment dipolaire électrique (EDM) permanent – une séparation de charge positive et négative au sein du noyau qui indiquerait une rupture des symétries fondamentales. Le résultat, publié dans Physical Review Letters, établit une limite supérieure de |d^d| < 2,5 × 10^(-17) e·cm à 95 % de confiance.
Aucune asymétrie n’a été trouvée. Mais la recherche elle-même constitue un pas significatif vers l’explication de l’un des mystères les plus profonds de la physique : pourquoi l’univers contient quelque chose plutôt que rien.
Charge et symétrie
Un moment dipolaire électrique permanent est exactement ce à quoi il ressemble : une séparation de charge positive et négative au sein d’une particule, lui donnant une extrémité « plus » et une extrémité « moins » distinctes, comme une batterie microscopique. Pour une particule fondamentale ou un noyau simple, une telle séparation violerait à la fois la symétrie de parité (P) – l’équivalence de la gauche et de la droite – et la symétrie d’inversion temporelle (T) – l’équivalence de l’avant et de l’arrière dans le temps. Par le théorème CPT, cela implique également une violation de la symétrie CP (la combinaison de la conjugaison de charge et de la parité).
Le modèle standard de la physique des particules prédit que les EDM du deutéron sont extrêmement faibles – de l’ordre de 10^(-32) e·cm, bien en dessous de toute expérience concevable. Tout EDM mesurable serait donc une preuve de « nouvelle physique » – des particules ou des forces au-delà du modèle standard qui introduisent des sources supplémentaires de violation de CP.
Pourquoi la violation de CP est-elle importante ? L’une des trois conditions nécessaires pour expliquer pourquoi le Big Bang a produit plus de matière que d’antimatière – les conditions de Sakharov – est que les lois de la physique doivent violer la symétrie CP. Le modèle standard inclut une certaine violation de CP (via la matrice CKM dans le mélange des quarks), mais pas suffisamment pour expliquer l’asymétrie matière-antimatière observée. Trouver de nouvelles sources de violation de CP aiderait à combler cet écart.
Le deutéron est une sonde particulièrement propre car sa structure à deux corps permet aux théoriciens de calculer l’EDM à partir de la chromodynamique quantique et de la théorie effective chirale avec une grande précision. Une mesure sur le deutéron contraint une combinaison spécifique de paramètres violant CP – incluant les couplages pion-nucléon isovectoriels et les chromo-EDM des quarks – qui est différente des combinaisons sondées par les recherches d’EDM neutroniques ou atomiques.
La technique de l’anneau de stockage
L’expérience JEDI utilise une méthode radicalement différente des recherches d’EDM traditionnelles. Au lieu de piéger des particules neutres (neutrons) ou des atomes dans des champs électriques, l’équipe a fait circuler des deutéron polarisés – des deutéron dont les spins sont alignés dans une direction connue – dans l’anneau de stockage magnétique COSY.
Dans un anneau de stockage magnétique, le spin du deutéron précesse autour du champ magnétique. Si le deutéron avait un EDM, cet EDM interagirait avec le champ électrique motionnel que le deutéron ressent dans son propre référentiel au repos lorsqu’il se déplace de manière relativiste dans le champ magnétique de l’anneau. Cela ferait basculer légèrement l’axe de spin hors du plan horizontal – une inclinaison proportionnelle à la magnitude de l’EDM.
L’équipe a utilisé un filtre Wien radiofréquence pour manipuler le spin et sonder l’axe de spin invariant (ISA) – l’axe autour duquel le spin précesse. Un serpent sibérien supraconducteur (un dispositif magnétique hélicoïdal) contrôlait l’orientation du spin, tandis qu’un solénoïde à refroidissement électronique maintenait la polarisation du faisceau et supprimait les effets systématiques. Des polarimètres ont mesuré la composante verticale de la polarisation finale du spin.
Les inclinaisons mesurées étaient de quelques milliradians, dominées par des effets systématiques – imperfections du champ magnétique, erreurs d’alignement – et non par un signal EDM. Cela a permis à l’équipe d’établir la limite supérieure de 2,5 × 10^(-17) e·cm.
Ce que cela signifie
La limite n’est pas encore compétitive avec les meilleures contraintes d’EDM issues de systèmes neutres – le neutron (~1,8 × 10^(-26) e·cm) et l’atome de mercure (~7 × 10^(-30) e·cm) – mais c’est la première mesure directe jamais réalisée sur un hadron chargé. Elle est sensible à une combinaison linéaire différente des paramètres de violation de CP par rapport aux EDM neutroniques ou atomiques, ce qui signifie qu’elle fournit des contraintes orthogonales. Une théorie qui prédit un petit EDM neutronique mais un grand EDM du deutéron, par exemple, ne peut pas se cacher de cette mesure.
De nombreuses extensions du modèle standard – supersymétrie, modèles symétriques gauche-droite, modèles multi-Higgs – prédisent des EDM du deutéron dans la plage de 10^(-24) à 10^(-28) e·cm. La limite actuelle ne les exclut pas encore, mais elle établit la méthodologie expérimentale et valide la technique de l’anneau de stockage pour de futures recherches plus sensibles.
La prochaine étape est une installation dédiée de mesure d’EDM sur anneau de stockage, en cours de discussion au CERN et à Jülich, avec des sensibilités cibles de 10^(-24) à 10^(-29) e·cm pour les protons, les deutéron et les noyaux d’hélium-3. À ces sensibilités, la recherche sonderait directement la violation de CP aux échelles d’énergie du TeV – complétant les recherches du LHC pour une nouvelle physique.
« Le deutéron est le noyau composite le plus simple », écrit Steven Hoekstra dans un article de Nature News & Views accompagnant le résultat. « La mesure est une preuve de principe pour une technique qui pourrait, avec une installation dédiée, atteindre la sensibilité nécessaire pour sonder la violation de CP requise pour expliquer l’asymétrie matière-antimatière de l’univers. »
Traduit par Lydie
Sources :
Andres A, et al. (JEDI Collaboration). « First Experimental Limit on the Permanent Electric Dipole Moment of the Deuteron. » Physical Review Letters, Vol. 136, 241801 (2026). DOI : 10.1103/ns3s-ld4k
[Nature News & Views] Hoekstra S. « Electric fields probe the symmetry of the ‘heavy hydrogen’ nucleus. » Nature, June 2026. https://www.nature.com/articles/d41586-026-02036-z