Les physiciens de la collaboration ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus) au CERN ont démontré avec succès le refroidissement par laser de l’antihydrogène, l’atome d’antimatière composé d’un antiproton et d’un positron.
Des atomes d’antihydrogène piégés sont refroidis. Crédit photo : Chukman So.
L’antimatière est une nécessité dans les modèles de mécanique quantique les plus aboutis de la physique des particules. Elle est devenue disponible dans les laboratoires il y a près d’un siècle avec la découverte du positron chargé positivement.
Lorsque la matière et l’antimatière se rencontrent, l’annihilation se produit ; un effet frappant où les particules originales disparaissent.
L’annihilation peut être observée en laboratoire et est même utilisée dans des techniques de diagnostic médical telles que la tomographie par émission de positrons.
Cependant, l’antimatière présente une énigme. Une quantité égale d’antimatière et de matière s’est formée lors du Big Bang, mais cette symétrie n’est pas préservée aujourd’hui car l’antimatière semble être pratiquement absente de l’Univers visible.
“La possibilité de refroidir au laser des atomes d’antihydrogène change la donne pour les mesures spectroscopiques et gravitationnelles, et pourrait ouvrir de nouvelles perspectives dans la recherche sur l’antimatière, comme la création de molécules d’antimatière et le développement de l’interférométrie des atomes d’antihydrogène”, a déclaré le Dr Jeffrey Hangst, porte-parole de la collaboration ALPHA.
“Nous sommes au dessus de la lune. Il y a une dizaine d’années, le refroidissement par laser de l’antimatière relevait du domaine de la science-fiction.”
Les physiciens d’ALPHA produisent des atomes d’antihydrogène en prélevant des antiprotons dans le décélérateur d’antiprotons du CERN et en les liant à des positrons provenant d’une source de sodium 22.
Ils confinent ensuite les atomes d’antihydrogène résultants dans un piège magnétique, ce qui les empêche d’entrer en contact avec la matière et de s’annihiler.
Ensuite, les chercheurs effectuent généralement des études spectroscopiques, c’est-à-dire qu’ils mesurent la réponse des atomes d’antimatière aux rayonnements électromagnétiques – lumière laser ou micro-ondes.
Ces études leur ont permis, par exemple, de mesurer la transition électronique 1S-2S dans l’antihydrogène avec une précision sans précédent.
Cependant, la précision de ces mesures spectroscopiques et des futures mesures prévues du comportement de l’antihydrogène dans le champ gravitationnel terrestre dans les expériences en cours est limitée par l’énergie cinétique ou, de manière équivalente, la température, des atomes d’antimatière.
C’est là que le refroidissement par laser entre en jeu. Dans cette technique, les photons du laser sont absorbés par les atomes, ce qui les amène à atteindre un état de plus haute énergie.
Les atomes d’antimatière émettent alors les photons et se désintègrent spontanément pour revenir à leur état initial.
Comme l’interaction dépend de la vitesse des atomes et que les photons donnent de l’élan, la répétition de ce cycle d’absorption-émission de nombreuses fois conduit au refroidissement des atomes à une basse température.
Dans la nouvelle étude, les scientifiques d’ALPHA ont pu refroidir par laser un échantillon d’atomes d’antihydrogène piégés magnétiquement en faisant passer de façon répétée les atomes d’antihydrogène de l’état d’énergie le plus bas (l’état 1S) à un état d’énergie plus élevé (2P) en utilisant une lumière laser pulsée dont la fréquence est légèrement inférieure à celle de la transition entre les deux états.
Après avoir éclairé les atomes piégés pendant plusieurs heures, ils ont observé une diminution de plus de dix fois de l’énergie cinétique médiane des atomes, de nombreux atomes d’antihydrogène atteignant des énergies inférieures à un microélétronvolt (environ 0,012 degré au-dessus du zéro absolu en équivalent de température).
Après avoir réussi à refroidir au laser les atomes d’antihydrogène, l’équipe ALPHA a étudié l’effet du refroidissement au laser sur une mesure spectroscopique de la transition 1S-2S et a constaté que le refroidissement a entraîné une ligne spectrale plus étroite pour la transition – environ quatre fois plus étroite que celle observée sans refroidissement au laser.
“Notre démonstration du refroidissement par laser d’atomes d’antihydrogène et de son application à la spectroscopie 1S-2S représente l’aboutissement de nombreuses années de recherche et de développement sur l’antimatière au Décélérateur d’antiprotons du CERN “, a déclaré M. Hangst.
“C’est de loin l’expérience la plus difficile que nous ayons jamais réalisée”.
“Historiquement, les chercheurs ont eu du mal à refroidir de l’hydrogène normal par laser, c’est pourquoi cela a été un peu un rêve fou pour nous pendant de nombreuses années”, a déclaré le Dr Makoto Fujiwara, physicien à TRIUMF, le centre canadien d’accélérateurs de particules, qui a proposé d’utiliser un laser pulsé pour refroidir l’antihydrogène piégé.
“Maintenant, nous pouvons rêver de choses encore plus folles avec…l’antimatière.”
“Avec cette technique, nous pouvons aborder des mystères de longue date comme : Comment l’antimatière répond à la gravité ? L’antimatière peut-elle nous aider à comprendre les symétries en physique ? Ces réponses pourraient modifier fondamentalement notre compréhension de l’Univers”, a déclaré le Dr Takamasa Momose, physicien à l’Université de Colombie-Britannique.
“Comme il n’y a pas d’antihydrogène dans la nature, nous devons le fabriquer dans le laboratoire du CERN. Le fait que nous puissions maintenant refroidir l’antihydrogène par laser et effectuer une mesure spectroscopique très précise, le tout en moins d’une journée, constitue un exploit remarquable”, a déclaré le professeur Niels Madsen, physicien à l’université de Swansea.
“Il y a seulement deux ans, la spectroscopie seule aurait pris dix semaines. Notre objectif est d’étudier si les propriétés de notre antihydrogène correspondent à celles de l’hydrogène ordinaire, comme prévu par la symétrie.”
“Une différence, même minime, pourrait aider à expliquer certaines des questions profondes entourant l’antimatière.”
“Ce résultat spectaculaire fait passer la recherche sur l’antihydrogène à un niveau supérieur, car la précision accrue qu’apporte le refroidissement par laser nous met en concurrence avec les expériences sur la matière normale”, a déclaré le professeur Stefan Eriksson, physicien à l’Université de Swansea.
“C’est un défi de taille puisque le spectre de l’hydrogène avec lequel nous nous comparons a été mesuré avec une précision stupéfiante de quinze chiffres. Nous sommes déjà en train de mettre à niveau notre expérience pour relever le défi !”.
L’article de l’équipe a été publié dans la revue Nature.
