Le détecteur nEDM

L’expérience nEDM repousse les limites de la précision pour percer le mystère de l’antimatière

La collaboration nEDM publie aujourd’hui une mesure d’une précision record du moment dipolaire électrique du neutron. Si ce moment n’a pas encore été détecté, les récentes analyses de l’expérience menée au Paul Scherrer Institut près de Zurich, ouvrent la voie à une expérience de nouvelle génération dont le démarrage est prévu en 2022. Ces mesures de haute précision, pour lesquelles les chercheurs de l’IN2P3 apportent des contributions majeures, sont complémentaires de celles effectuées au CERN ou au Japon et permettront peut-être de résoudre la grande énigme de l’asymétrie entre matière et antimatière dans l’Univers.

Le neutron est-il une « boussole électrique » ? La question n’est pas encore tranchée mais le résultat fera date. « Nous publions aujourd’hui la meilleure mesure mondiale du moment dipolaire du neutron,» explique Guillaume Pignol, co-responsable de l’expérience nEDM – pour neutron electric dipole moment – et enseignant-chercheur au LPSC. Les neutrons sont censés être des particules de charge nulle, mais l’existence d’un moment dipolaire électrique est suspectée depuis plus de 60 ans car étant composé de quarks électriquement chargées, le neutron n’est pas nécessairement uniformément neutre. Cette propriété, si elle était démontrée, serait une empreinte d’un mécanisme à l’origine de l’asymétrie matière-antimatière, qui s’observe par l’absence d’antimatière dans notre Univers. nEDM s’inscrit dans la quête de ce qu’on appelle la « nouvelle physique au-delà du modèle standard», qui motive la communauté de physique des particules sur de nombreuses expériences dont celles du LHC au CERN ou BELLE-2 au Japon.

Le neutron est une « boussole magnétique ». C’est à dire que son spin tourne (ou précesse) dans un champ magnétique. Si cet effet bien connu est utilisé quotidiennement en imagerie médicale, le même effet électrique – quoique autorisé théoriquement – n’a jamais été encore observé. L’effet magnétique étant dominant, le défi de l’expérience nEDM est de mesurer une très faible modification de la fréquence de rotation du spin du neutron en appliquant un champ électrique dans une direction puis dans la direction opposée. Cette mesure de haute précision suppose de disposer d’un champ magnétique stable, uniforme et parfaitement connu. Pour étudier les neutrons pendant le temps le plus long possible (en moyenne 3 minutes), les scientifiques utilisent un gaz de neutrons ultrafroids (leur vitesse est inférieure à 5 m/s) produit au Paul Scherrer Institut (PSI) à partir d’un faisceau de protons. À chaque cycle de mesure, le faisceau produit des neutrons qui sont dirigés vers l’expérience, exposés au champ électrique, puis comptés. En tout, les chercheurs ont enregistré 50 000 cycles et compté plus de 500 millions de neutrons

Les données prises entre 2015-2016 ont été analysées pour la première fois en mode « aveugle » jusqu’à l’automne 2019. Cette méthode, appelée « blinding » consiste à introduire une fausse déviation à zéro afin de ne pas biaiser l’interprétation des résultats lors de l’élaboration des méthodes d’analyse. Les scientifiques de nEDM ont ensuite repris leurs calculs avec les « vraies » données. Leur mesure donne finalement un moment dipolaire électrique nul, avec une incertitude statistique de 1,1.10-26 e cm (électron centimètre) et une incertitude systématique de 0,2.10-26 e cm. Cette dernière incertitude, cinq fois meilleure que celle obtenue lors des expériences précédentes démontre la très bonne connaissance du dispositif expérimental, sans cesse amélioré depuis les années 80. Ce résultat, qui établit un nouveau standard international, permet d’envisager une nette amélioration dans la version suivante de l’expérience, appelée n2EDM.

Toute déviation à zéro, aussi faible soit elle, serait une découverte majeure en physique des particules, car elle impliquerait l’existence de particules lourdes, non détectables aujourd’hui dans les expériences sur accélérateur. « La recherche au CERN ratisse large et cherche de manière générale à identifier de nouvelles particules et leurs propriétés », explique Philipp Schmidt-Wellenburg, co-responsable de l’expérience et chercheur à PSI. « De notre côté, nous allons en profondeur en scrutant une seule propriété d’une seule particule, le neutron. Mais nous atteignons sur ce détail un degré de précision que le LHC mettrait peut-être 100 ans à obtenir.»

nEDM est une collaboration scientifique d’une cinquantaine de membres qui a bénéficié de contributions majeures de la part des scientifiques IN2P3. Le LPC de Caen a notamment conçu le détecteur de neutrons de l’expérience, un élément clé du dispositif de mesure. Le LPSC a été responsable, entre autres, du magnétomètre atomique qui permet un grand contrôle du champ magnétique appliqué. Les scientifiques du LPCC, LPSC et du CSNSM (aujourd’hui IJCLab) ont pris part à l’analyse des données. L’IN2P3 est engagé fortement dans l’expérience de nouvelle génération n2EDM qui devrait démarrer en 2022 pour s’achever en 2027. 

 

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Yoann Kermaidic (anciennement LPSC), Guillaume Pignol (LPSC), Stéphanie Roccia (anciennement IJCLab), Dominique Rebreyend (LPSC), Thomas Lefort (LPCC) chercheurs dans l’expérience nEDM photographiés devant l’expérience nEDM à PSI, Zurich.
Yoann Kermaidic (anciennement LPSC), Guillaume Pignol (LPSC), Stéphanie Roccia (anciennement IJCLab), Dominique Rebreyend (LPSC), Thomas Lefort (LPCC) chercheurs dans l’expérience nEDM photographiés devant l’expérience nEDM à PSI, Zurich.

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RECHERCHE

Particules et interactions fondamentales

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Mesure du moment dipolaire électrique du neutron

En 1967, A. Sakharov énonce trois conditions nécessaires à l’apparition de la matière (la disparition de l’antimatière) dans notre univers : une phase hors-équilibre dans l’évolution de l’univers, une brisure des symétries C et CP et la non conservation du nombre baryonique B. Deux de ces conditions ne sont pas présentes dans le modèle standard de la physique des particules. En revanche, certains modèles alternatifs (décrivant une physique dîtes au-delà du modèle standard) offrent des scénarii viables en satisfaisant les conditions de Sakharov. Les mesures de moments dipolaires électriques permettent de tester les différents modèles aujourd’hui en compétition.   

Plus précisément, les mesures de moments dipolaires électriques (EDM) de particules (électron, neutron, Hg, etc…) permettent de rechercher les mécanismes à l’origine de la brisure de la symétrie CP. Explicitement, toute mesure non-nulle d’un moment dipolaire électrique signe une violation de la symétrie CP. Ces mesures ont débuté en 1957 avec une première estimation de l’EDM du neutron. Elles se sont poursuivies jusqu’à aujourd’hui sans qu’aucune équipe n’ai réussi au niveau mondial à mettre en évidence un EDM différent de zéro (sur une vingtaine de systèmes étudiés).  

Dans ce cadre, la collaboration internationale nEDM (une quinzaine de laboratoires européens), cherche à mesurer le moment dipolaire électrique du neutron au Paul Scherrer Institut (PSI) en Suisse avec une précision inégalée au niveau mondial. Le gain de sensibilité, un ordre de grandeur, est réalisé grâce à la mise en service d’une nouvelle source de neutrons ultra-froids au PSI et à l’amélioration constante du spectromètre utilisé pour la mesure.

Le projet est constitué de deux phases : la première (nEDM) est terminée. Elle a conduit à la publication de la mesure la plus précise de l’EDM du neutron en 2020 (Phys. Rev. Lett. 124, 081803 (2020)). La valeur de ce dernier restant néanmoins compatible avec zéro, la seconde phase a débuté (n2EDM). Un spectromètre totalement nouveau est en cours de construction. Le succès de l’expérience repose sur différentes composantes de ce spectromètre : une chambre magnétiquement isolée (photo de gauche) dont les performances sont uniques au monde dans de telles dimensions, la production d’un champ magnétique extrêmement uniforme, le contrôle du champs magnétique (online avec un système complexe de magnétomètres et offline avec un appareil sophistiqué permettant de cartographier le champ), la mise en place d’une chambre à vide de grandes dimensions non magnétique (photo de droite) etc …. La prise de données devrait débuter en 2022 et durer 3 à 4 ans afin d’atteindre une sensibilité suffisante.  

Au sein de ce projet, le LPC est en charge de la détection des neutrons, de l’analyse de leur polarisation, de la conception des bobines générant les champs magnétiques et de la chambre à vide non magnétique.

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Aux origines de la matière, de Pierre De Parscau © CNRS – 2022

Informations complémentaires sur le projet n2EDM :

  • Tracking down the mystery of matter
  • The design of the n2EDM experiment - Eur. Phys. J. C (2021) 81:512
  • Measurement of the permanent electric dipole moment of the neutron C. Abel, S. Afach, N.J. Ayres et al. Phys. Rev. Lett. 124 (2020) 081803 10.1103/PhysRevLett.124.081803

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RESEARCH

Particles and fundamental interactions

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Measurement of the electric dipole moment of the neutron

In 1967, A. Sakharov formulated three conditions necessary for the appearance of matter in our Universe: an out-of-equilibrium phase in the Universe evolution, a breaking of C and CP symmetries and the non-conservation of the baryon number B. Two of these conditions are not present in the Standard Model of Particle Physics. On the other hand, some alternative models, describing a physics known as beyond the standard model (BSM), offer viable scenarios while satisfying the Sakharov’s conditions. Measurements of electric dipole moments allow to constrain the BSM models currently in competition.

More precisely, measurements of electric dipole moments (EDM) of elementary particles or composite systems (electron, neutron, Hg, etc.) probe any possible mechanisms of CP symmetry breaking. A non-zero measurement indicates a CP violation. This type of measurements began in 1957 with a first estimate of the neutron EDM. They have been pursued until today without any team succeeding in demonstrating an EDM other than zero (out of about twenty systems studied).

In this context, the international nEDM collaboration (fifteen laboratories), seeks to measure the electric dipole moment of the neutron at the Paul Scherrer Institute (PSI) in Switzerland. The gain in sensitivity, an order of magnitude, will be achieved thanks to the high intensity ultra-cold neutron source at PSI and the construction of a new spectrometer. 

The project consists of two phases, nEDM and n2EDM: the first was completed. It led to the publication of the most accurate measurement of neutron EDM in 2020 (Phys. Rev. Lett. 124, 081803 (2020)). The second phase began (n2EDM). A new spectrometer is under construction. The success of the experiment relies on different highly performant components of the apparatus: a magnetically shielded room whose performances are unique in the world with such dimensions, the production of an extremely uniform magnetic field, the control of the magnetic field (online with a complex system of magnetometers and offline with a sophisticated device for the mapping of the field), the installation of a large non-magnetic vacuum chamber etc… Data taking will begin in 2023 and last 4 years in order to achieve a sufficient sensitivity.

Within this project, the LPC is in charge of the neutrons detection, the analysis of their polarization, the design of the coils generating the magnetic fields and the construction of the non-magnetic vacuum chamber.

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Aux origines de la matière, de Pierre De Parscau © CNRS – 2022

For more details on the n2EDM project look at:

  • Tracking down the mystery of matter
  • The design of the n2EDM experiment - Eur. Phys. J. C (2021) 81:512
  • Measurement of the permanent electric dipole moment of the neutron C. Abel, S. Afach, N.J. Ayres et al. Phys. Rev. Lett. 124 (2020) 081803 10.1103/PhysRevLett.124.081803
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