Les molécules les plus simples mettent à l’épreuve la théorie quantique

Les prédictions théoriques concernant les propriétés d’un ion hydrogène moléculaire sont testées grâce à une mesure de très haute précision, posant ainsi les bases d’une détermination améliorée des constantes fondamentales.

Comprendre comment les constituants les plus simples de la matière interagissent entre eux constitue le fondement de la physique moderne. La comparaison de grandeurs pouvant être à la fois mesurées et calculées avec une très grande précision permet de tester les modèles les plus fondamentaux décrivant l’univers. L’ion hydrogène moléculaire HD⁺, un système lié composé d’un proton, d’un deutéron et d’un unique électron, offre une excellente plateforme pour ce type d’études. Dans HD⁺, les spins des constituants interagissent entre eux, donnant lieu à ce que l’on appelle la structure hyperfine. De plus, le moment magnétique de l’électron, décrit par son facteur gyromagnétique (ou facteur g), est légèrement modifié par rapport à celui d’un électron libre en raison de sa liaison au proton et au deutéron.

La structure hyperfine comme le facteur g peuvent être calculés dans le cadre de la théorie de l’électrodynamique quantique, qui décrit l’interaction électromagnétique. Des chercheurs du laboratoire Kastler Brossel (Paris) et de l’université de Kassel ont ainsi pu prédire le facteur g de l’électron lié avec une précision relative de 5 parties pour 100 milliards.

Ces prédictions ont été mises à l’épreuve par une équipe expérimentale de l’Institut Max-Planck de physique nucléaire (MPIK) à Heidelberg, qui a réussi à isoler et piéger un unique ion HD⁺ afin d’en étudier la structure hyperfine. En particulier, le facteur g de l’électron lié a été mesuré avec une précision proche de celle de la prédiction théorique. Les valeurs expérimentales et théoriques se sont révélées en excellent accord.

Ces dernières années, les mesures de précision sur les molécules les plus simples, telles que HD⁺, sont devenues un banc d’essai important pour la théorie quantique et permettent de déterminer des grandeurs fondamentales comme le rapport entre la masse du proton et celle de l’électron. Les méthodes expérimentales développées au MPIK seront bientôt utilisées pour réaliser la spectroscopie laser de la molécule HD⁺ afin d’en sonder les vibrations et rotations. La possibilité de travailler avec un ion unique, bien isolé et piégé, devrait améliorer considérablement la précision de ces tests.

Au-delà, ces résultats ouvrent des perspectives fascinantes pour tester l’équivalence des propriétés de la matière et de l’antimatière, et ainsi explorer l’un des principes les plus fondamentaux de la physique. À mesure que la production d’atomes d’antihydrogène gagne en efficacité au CERN, il pourrait devenir possible de créer les premières molécules d’antimatière. Il suffirait alors de piéger une seule de ces molécules pour en mesurer les propriétés de manière identique à celle utilisée pour HD⁺.

Ce travail collaboratif a impliqué des équipes expérimentales du MPIK à Heidelberg et de l’Université Heinrich-Heine de Düsseldorf, ainsi que, du côté théorique, des chercheurs du laboratoire Kastler Brossel à Paris, de l’Université de Kassel et de l’Académie bulgare des sciences à Sofia. La publication décrivant ces travaux est parue dans Physical Review Letters.

Pour plus d’information : https://journals.aps.org/prl/accepted/10.1103/vrl8-bpmz