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Une représentation schématique de l'ytterbium 174. Crédit : Lawrence Berkeley National Laboratory
Dans l'Univers, il ne semblait y avoir aucune possibilité de distinguer entre la gauche et la droite du point de vue des lois de la physique. Ainsi, l'image dans un miroir d'un dispositif de physique effectuant une expérience devait conduire à une situation qui pouvait elle aussi exister. Lorsque qu'une situation est inchangée sous l'action d'une transformation, comme faire tourner une sphère ou en prendre l'image dans un miroir, les physiciensphysiciens parlent d'une symétrie, de même que les mathématiciensmathématiciens lorsqu'ils considèrent une équation invariante sous une opération de transformation.
Les symétries ne sont pas que des outils mathématiques pour analyser un phénomène ou calculer plus facilement les équations qui lui sont associées. Elles sont à l'origine de la forme de bien des lois de l'Univers et en particulier des lois de conservation. L'invariance par rotation est ainsi à l'origine de la conservation du moment cinétique et les nombreuses particules élémentairesparticules élémentaires du modèle standardmodèle standard sont étroitement associées aux symétries des théories de jaugesthéories de jauges des interactions, invariantes sous des transformations décrites par des groupes de Lie.
Violation de parité dans la désintégration du noyau de cobalt 60. L'électron est émis préférentiellement dans la direction opposée à celle du spin du noyau. En regardant l'image dans un miroir, le spin change de sens (c'est un pseudovecteur) et l'électron est émis préférentiellement dans la direction du spin du noyau. Crédit : Ilarion Pavel-3xplus
Jusqu'en 1957, à part pour des théoriciens comme TT. D. Lee et Chen Ning Yang, la parité était une opération de symétrie vérifiée par les particules élémentaires. Les expériences de Wu et Lederman démontrèrent que les interactions faibles violaient la conservation de la parité. Certaines expériences, notamment la désintégration bêtabêta d'atomesatomes de cobaltcobalt 60 placés dans un champ magnétiquechamp magnétique, ne donnaient pas le même résultat que leur image dans un miroir.
La confirmation, au début des années 1980, du modèle électrofaible des interactions, unifiant la force électromagnétique avec la force nucléaire faibleforce nucléaire faible, impliquait des phénomènes déjà entrevus par le grand cosmologiste Yakov Zel'dovich, à savoir l'apparition de traces discrètes de la violation de la parité jusque dans les niveaux des électronsélectrons des atomes.
Selon Zel’dovich, des courants de nucléons similaires aux courants d'électrons dans un tokamak se produisent dans certains noyaux, du fait des forces nucléaires faibles. Crédit : Lawrence Berkeley National Laboratory
Des test désormais possibles pour certains modèles nucléaires
On trouva effectivement de telles violations dans l'atome de césiumcésium. Aujourd'hui, Dmitry Budker et ses collègues du Lawrence Berkeley National Laboratory viennent de les mettre en évidence dans un isotopeisotope de l'ytterbiumytterbium. Les effets de violation de la parité y sont même cent fois plus importants. Cet atome constitue maintenant un excellent laboratoire pour tester des prédictions difficiles à mettre en évidence et concernant les interactions faibles dans les noyaux.
Le principe de cette expérience implique de constituer d'abord un faisceau atomique d'ytterbium 174. On l'obtient sous forme de vapeur en chauffant la terre rareterre rare à 500 °C. Le faisceau passe ensuite dans une zone dans laquelle règnent un champ magnétique qui lui est parallèle et un champ électriquechamp électrique qui lui est perpendiculaire. On bombarde alors les atomes avec un laserlaser dirigé selon la direction du champ électrique. Des transitions électroniques rares, en liaison avec les forces faibles exercées par les nucléonsnucléons du noyau, sont alors observables et ce sont elles qui sont sensibles à la violation de la parité.
En particulier, les physiciens peuvent maintenant tester les modèles nucléaires qui prédisent qu'une couche riche en neutronsneutrons entoure les noyaux lourds. Par ailleurs, une théorie, que l'on doit aussi à Zel'dovich, veut que sous l'effet des forces faibles les nucléons ont tendance à circuler au sein du noyau en formant un tore. Le phénomène a été mis en évidence avec les protonsprotons de valencevalence de l'atome de césium mais toujours pas avec les neutrons...
