Démarrage de l’expérience n2EDM : une nouvelle fenêtre sur l’origine de la matière

Top départ pour n2EDM. Depuis le Paul Scherrer Institute, en Suisse, cette expérience cherche à répondre à l’une des questions majeures de la cosmologie contemporaine : alors que matière et antimatière ont été produites en quantités quasiment égales au cours des premiers instants de l’Univers, pourquoi, aujourd’hui, la matière prédomine-t-elle de manière aussi écrasante ?  Si, à ce jour, il est admis que cette asymétrie de proportion serait due à des disparités dans les propriétés de la matière et de l’antimatière, les nombreuses pistes explorées par les scientifiques ne parviennent toujours pas à expliquer la proéminence de la matière. Au sein des pistes étudiées, les mesures du moment dipolaire électrique (EDM) intrinsèque de diverses particules (neutron, électron, atome etc…) n’ont pas dit leur dernier mot. 

C’est du côté de l’EDM du neutron que l’expérience n2EDM espère débusquer une violation de symétrie susceptible de satisfaire les cosmologistes. Ce moment dipolaire, s’il était mesuré chez le neutron, impliquerait qu’à l’échelle la plus infime, le neutron présente deux pôles électriques, positif et négatif. Or, toute mesure non nulle de cet EDM signerait de manière irréfutable la présence d’un processus permettant d’expliquer, au moins partiellement, l’asymétrie entre matière et antimatière. Mais après des décennies de quêtes expérimentales fournissant des résultats toujours plus précis et contraignants, l’EDM du neutron n’a jamais été observé. C’est dans ce contexte que la collaboration nEDM, forte d’une quinzaine de laboratoires dont le LPC Caen et le LPSC, reprend le flambeau, en proposant de mesurer l’EDM du neutron avec une précision inégalée au cours des 10 prochaines années. 

L’expérience repose sur l’observation de neutrons ultra-froids plongés dans un champ magnétique de 1 µT. La collaboration cherche à mesurer le plus précisément possible la fréquence de précession du spin, ce qui revient à compter le nombre de fois où le spin* du neutron « tourne » autour du champ magnétique. Un champ électrique est également appliqué. Si le neutron présente un EDM intrinsèque, alors son interaction avec ce champ modifierait très légèrement la fréquence de précession. C’est donc en traquant d’infimes déviations de cette fréquence que les scientifiques espèrent déceler la présence de l’EDM. Mais le décalage attendu est extrêmement faible : de l’ordre de 1 tour par an pour un EDM de 10^-26 ecm (l’unité usuelle d’un moment dipolaire électrique est le produit de la charge élémentaire e par un centimètre). Cela impose une maîtrise quasi-parfaite de tous les paramètres de l’expérience. 

A ce titre, la production et le contrôle du champ magnétique sont essentiels.  Chaque perturbation du champ peut induire une déviation dans la fréquence de précession des neutrons susceptible d’être confondue avec une manifestation de l’EDM. Il est essentiel que l’uniformité du champ soit d’excellente qualité pour garantir une lecture non-biaisée du comportement des neutrons. Le système de bobines complexe créé par le LPSC et le LPC génère un champ magnétique à l’uniformité quasi-parfaite, avec des non uniformités résiduelles de l’ordre de la centaine de pT.

En outre, une grande partie de l’expérience est dédiée au contrôle de ce champ magnétique. Sa pièce maîtresse, le blindage magnétique de grande dimension présenté ci-dessous, permet de s’affranchir du champ magnétique terrestre avec un facteur de suppression de l’ordre de 10⁵. A l’intérieur de ce blindage, les pièces utilisées pour le dispositif sont toutes très faiblement magnétiques, voire amagnétiques pour celles qui sont directement au contact des neutrons. 

Le champ magnétique est mesuré en permanence par deux systèmes de magnétométrie permettant d’évaluer les non-uniformités résiduelles par le biais d’un ensemble de 112 magnétomètres Cs, et son éventuelle dérive temporelle, grâce à un système de magnétométrie mercure développé par le LPSC. Les contributions des laboratoires CNRS Nucléaire & Particules, qui ont très largement participé au développement du spectromètre, sont détaillées ici. 

Le dispositif de pointe de n2EDM permettra d’atteindre une sensibilité expérimentale de 10^-27 ecm, soit un ordre de grandeur de mieux que la mesure la plus précise, réalisée par nEDM, le prédécesseur de n2EDM qui avait en 2020 indiqué que si l’EDM du neutron existe, alors sa valeur est inférieure à 1.8 10^-26 ecm (CL : 90%). La précision de la mesure est principalement contrainte par la statistique : cinq ans de prise de données seront nécessaires pour atteindre l’objectif de sensibilité avec plus de 30 milliards de neutrons détectés au final. La fin de la mesure est planifiée pour le début des années 2030 avec pour ambition d’explorer pour la première fois au niveau mondial le domaine des 10^-27 ecm. 

* Le spin est une propriété des particules assimilable au moment cinétique dans l’espace quantique.