Première mesure du degré de polarisation d’ions radioactifs avec l’expérience MORA

L’expérience MORA, coordonnée par le GANIL, vient de franchir une étape décisive avec la première mesure du degré de polarisation d’ions radioactifs ²³Mg⁺ dans son piège, réalisée à l’installation IGISOL de l’Université de Jyväskylä (Finlande). Ce résultat, publié dans European Physical Journal A, constitue la première démonstration expérimentale de la polarisation laser d’ions radioactifs piégés dans un piège de Paul transparent.

L’expérience MORA (Matter’s Origin from RadioActivity) vise à rechercher une violation de la symétrie fondamentale dite CP dans la désintégration des ions ²³Mg⁺ par émission d’un positron (désintégration dite β⁺), une piste susceptible d’expliquer l’asymétrie entre la matière et l’antimatière observée dans l’Univers. Elle est basée sur la mesure de la corrélation angulaire entre le noyau de recul (le noyau résiduel issu de la désintégration) et le positron émis.

La mesure des angles entre les directions des particules issues de la réaction requiert que les spins des ions radioactifs soient tous orientés dans la même direction : ils doivent être polarisées. Pour cela, l’expérience MORA utilise un piège de Paul transparent qui permet la polarisation des ions par leur interaction avec des faisceaux lasers pulsés. Grâce au piégeage des ions, la méthode de polarisation atteint une efficacité supérieure de plusieurs ordres de grandeur à celle obtenue dans les techniques classiques de piégeage d’atomes neutres (pièges magnéto-optiques). Comme dans ces dernières, le dispositif MORA permet une exposition prolongée des ions aux faisceaux lasers, conduisant à une forte polarisation.

La mesure récemment obtenue indique un degré de polarisation compris entre 55 % et 100 % avec un niveau de confiance de 90 %, et une efficacité de piégeage de l’ordre de 30%. A titre de comparaison, les pièges magnéto-optiques atteignent également des degrés de polarisation très élevés (souvent supérieurs à 90 %), mais avec une efficacité de piégeage inférieure à une fraction de pour cent. Cette première mesure du degré de polarisation constitue ainsi une démonstration convaincante du potentiel exceptionnel de la technique de polarisation laser dans le piège MORA.

Un jalon pour la recherche de violation de symétrie CP

Installée à IGISOL, à l’Université de Jyväskylä en Finlande depuis 2022, l’expérience MORA a connu plusieurs étapes marquantes. Après la mise en service du dispositif, des efforts importants ont été menés pour améliorer la pureté du faisceau d’ions, un facteur limitant pour le piégeage. En 2024, l’équipe a pu observer pour la première fois des coïncidences entre positrons et ions de recul, signe d’une première orientation du spin des ions piégés. Cette observation a été confirmée en mars 2025 par la mesure du degré de polarisation, qui a confirmé que le spin des ions ²³Mg⁺ est fortement orienté le long de l’axe du piège, démontrant l’efficacité du dispositif laser.

Vers la mesure du terme de corrélation D dans la désintégration β

Cette première mesure de polarisation marque une étape clé vers la recherche d’un terme de corrélation D non nul dans la désintégration β des ions ²³Mg⁺. Ce terme désigne un paramètre dans l’expression de la corrélation angulaire entre les directions du spin du noyau et celles des particules émises, qui, s’il se révélait non nul, serait un signe de violation de la symétrie CP.

En juillet et octobre 2025, des améliorations supplémentaires ont permis de réduire encore la contamination du faisceau, ouvrant la voie au démarrage des mesures de violation de symétrie au cœur du programme scientifique de MORA.

Une collaboration internationale et des perspectives prometteuses

MORA est une expérience coordonnée par le GANIL (Grand Accélérateur National d’Ions Lourds), en collaboration avec le LPC Caen, l’Université de Jyväskylä, Finlande, KU Leuven, Belgique et IJCLab. Actuellement hébergée à Jyväskylä, l’expérience rejoindra le GANIL après la mise en service de la ligne DESIR prévue en 2028. Elle pourra alors bénéficier des faisceaux intenses de SPIRAL1, purifiés par le High Resolution Separator (HRS) de DESIR, pour mener des mesures de précision sans précédent.

Le projet a bénéficié du soutien de la Région Normandie (2018–2020) et de l’Agence nationale de la recherche (ANR) (2020–2025) dans le cadre de projets éponymes. Il vient d’obtenir un nouvel appui de l’ANR à travers le projet ACCLAIM-MORA (AdvanCed CaLcium radioActive Isotope Manipulation for MORA). La Région Normandie soutient également la thèse de Luis Miguel Motilla Martinez, en cotutelle entre le GANIL et l’Université de Jyväskylä. Ce travail de thèse a permis la purification du faisceau et la preuve de principe de polarisation laser. L’université de Caen finance la thèse de Marah Jbayli, qui vient de débuter et qui concerne l’analyse des données pour la mesure de la corrélation D.

Contact: Pierre Delahaye pierre.delahaye@ganil.fr