Le modèle standard de la physique des particules est à la fois incroyablement réussi et manifestement incomplet. Parmi les questions laissées en suspens figure le déséquilibre frappant entre matière et antimatière dans l’Univers, qui inspire les expériences visant à comparer les propriétés fondamentales des conjugués matière/antimatière avec une grande précision. Les nouvelles expériences de la collaboration BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) au CERN portent sur l’étude directe des propriétés fondamentales des protons et des antiprotons.
Borchert et al. rapportent une comparaison du rapport charge-masse antiproton-proton avec une précision fractionnaire de 16 parties par trillion. Crédit image : Chukman So.
Selon le Modèle standard, les particules de matière et d’antimatière peuvent différer, par exemple dans la façon dont elles se transforment en d’autres particules, mais la plupart de leurs propriétés, y compris leurs masses, devraient être identiques.
La découverte d’une légère différence entre les masses des protons et des antiprotons, ou entre les rapports de leur charge électrique et de leur masse, briserait une symétrie fondamentale du modèle standard, appelée symétrie CPT, et indiquerait de nouveaux phénomènes physiques au-delà du modèle.
Une telle différence pourrait également permettre de comprendre pourquoi l’Univers est composé presque entièrement de matière, alors que des quantités égales d’antimatière auraient dû être créées lors du Big Bang.
Les différences entre les particules de matière et d’antimatière qui sont compatibles avec le Modèle standard sont plus petites de plusieurs ordres de grandeur pour pouvoir expliquer ce déséquilibre cosmique observé.
Pour effectuer leurs mesures de protons et d’antiprotons, les physiciens de la collaboration BASE ont confiné des antiprotons et des ions d’hydrogène chargés négativement, qui sont des substituts chargés négativement des protons, dans un piège à particules de pointe appelé piège de Penning.
Dans ce dispositif, une particule suit une trajectoire cyclique avec une fréquence, proche de la fréquence cyclotron, qui varie en fonction de l’intensité du champ magnétique du piège et du rapport charge/masse de la particule.
En introduisant alternativement dans le piège des antiprotons et des ions d’hydrogène chargés négativement, les chercheurs ont mesuré, dans les mêmes conditions, les fréquences cyclotroniques de ces deux types de particules, ce qui a permis de comparer leurs rapports charge/masse.
Effectuées au cours de quatre campagnes entre décembre 2017 et mai 2019, ces mesures ont permis de réaliser plus de 24 000 comparaisons de fréquences cyclotron, d’une durée de 260 secondes chacune, entre les rapports charge-masse des antiprotons et des ions hydrogène chargés négativement.
À partir de ces comparaisons, et après avoir pris en compte la différence entre un proton et un ion d’hydrogène chargé négativement, l’équipe BASE a découvert que les rapports charge-masse des protons et des antiprotons sont égaux à 16 parties par trillion près.
“Ce résultat est quatre fois plus précis que la meilleure comparaison précédente entre ces rapports, et le rapport charge-masse est maintenant la propriété la plus précisément mesurée de l’antiproton”, a déclaré le Dr Stefan Ulmer, porte-parole de la collaboration BASE.
“Pour atteindre cette précision, nous avons apporté des améliorations considérables à l’expérience et effectué les mesures lorsque l’usine d’antimatière était fermée, en utilisant notre réservoir d’antiprotons, qui peut stocker des antiprotons pendant des années.”
En plus de comparer les protons et les antiprotons avec une précision sans précédent, les scientifiques ont utilisé leurs mesures pour imposer des limites strictes aux modèles au-delà du modèle standard qui violent la symétrie CPT, ainsi que pour tester une loi fondamentale de la physique connue sous le nom de principe d’équivalence faible.
Selon ce principe, différents corps dans le même champ gravitationnel subissent la même accélération en l’absence de forces de friction.
Comme l’expérience BASE est placée à la surface de la Terre, ses mesures de fréquences cyclotroniques du proton et de l’antiproton ont été effectuées dans le champ gravitationnel à la surface de la Terre.
Toute différence entre l’interaction gravitationnelle des protons et des antiprotons entraînerait une différence entre les fréquences cyclotroniques des protons et des antiprotons.
En échantillonnant le champ gravitationnel variable de la Terre pendant que la planète tourne autour du Soleil, l’équipe BASE n’a pas trouvé une telle différence et a fixé une valeur maximale sur cette mesure différentielle de trois parties sur 100.
“Cette limite est comparable aux objectifs initiaux de précision des expériences qui visent à larguer de l’antihydrogène dans l’atmosphère terrestre”.champ gravitationnel”, a déclaré le Dr Ulmer.
“BASE n’a pas fait tomber directement de l’antimatière dans le champ gravitationnel de la Terre, mais notre mesure de l’influence de la gravité sur une particule d’antimatière baryonique est conceptuellement très similaire, indiquant l’absence d’interaction anormale entre l’antimatière et la gravité au niveau d’incertitude atteint.”
Les résultats de l’équipe ont été publiés dans le journal Nature.
