Ce résultat pourrait ouvrir les portes à plusieurs lignes de recherche en physique des particules et au-delà.
Un hélium hybride matière-antimatière atom containing an antiproton, the proton’s antimatter equivalent, in place of an electron has an unexpected response to laser light when immersed in superfluid helium, reports the ASACUSA collaboration at CERN. The result, described in a paper published on March 16, 2022, in the journal Nature, may open doors to several lines of research.
“Our study suggests that hybrid matter–antimatter helium atoms could be used beyond particle physics, in particular in condensed-matter physics and perhaps even in astrophysics experiments,” says ASACUSA co-spokesperson Masaki Hori. “We have arguably made the first step in using antiprotons to study condensed matter.”
ASACUSA Experiment. Credit: CERN
The ASACUSA collaboration is well used to making hybrid matter–antimatter helium atoms to determine the antiproton’s mass and compare it with that of the proton. These hybrid atoms contain an antiproton and an electron around the helium nucleus (instead of two electrons around a helium nucleus) and are made by mixing antiprotons produced at CERN’s antimatter factory with a helium gas that has a low atomic density and is kept at low temperature.
Low gas densities and temperatures have played a key role in these antimatter studies, which involve measuring the response of the hybrid atoms to laser light in order to determine their light spectrum. High gas densities and temperatures result in spectral lines, caused by transitions of the antiproton or electron between energy levels, that are too broad, or even obscured, to allow the mass of the antiproton relative to that of the electron to be determined.
C’est pourquoi les chercheurs d’ASACUSA ont été surpris d’observer une diminution de la largeur des raies spectrales de l’antiproton lorsqu’ils ont utilisé de l’hélium liquide, dont la densité est beaucoup plus élevée que celle de l’hélium gazeux, dans leur nouvelle étude.
De plus, lorsqu’ils ont diminué la température de l’hélium liquide à des valeurs inférieures à la température à laquelle le liquide devient superfluide, c’est-à-dire qu’il s’écoule sans aucune résistance, ils ont constaté un nouveau rétrécissement abrupt des lignes spectrales.
Masaki Hori, co-porte-parole d’ASACUSA. Crédit : CERN
“Ce comportement était inattendu”, explique Anna Sótér, qui était la principale doctorante travaillant sur l’expérience et qui est maintenant professeur adjoint à l’ETHZ. “La réponse optique de l’atome d’hélium hybride dans l’hélium superfluide est radicalement différente de celle du même atome hybride dans l’hélium gazeux à haute densité, ainsi que de celle de nombreux atomes normaux dans les liquides ou les superfluides.”
Les chercheurs pensent que le comportement surprenant observé est lié au rayon de l’orbitale électronique, c’est-à-dire à la distance à laquelle se trouve l’électron de l’atome d’hélium hybride. Contrairement à celui de nombreux atomes normaux, le rayon de l’orbitale électronique de l’atome hybride change très peu lorsque la lumière laser est dirigée sur l’atome et n’affecte donc pas les lignes spectrales même lorsque l’atome est immergé dans de l’hélium superfluide. Cependant, d’autres études sont nécessaires pour confirmer cette hypothèse.
Ce résultat a plusieurs ramifications. Tout d’abord, les chercheurs pourraient créer d’autres atomes d’hélium hybrides, tels que les suivants des atomes d’hélium pioniquesdans de l’hélium superfluide en utilisant différentes antimatières et particules exotiques, pour étudier en détail leur réponse à la lumière laser et mesurer les masses des particules. Ensuite, le rétrécissement substantiel des raies dans l’hélium superfluide suggère que les atomes d’hélium hybrides pourraient être utilisés pour étudier cette forme de matière et potentiellement d’autres phases de matière condensée. Enfin, les lignes spectrales étroites pourraient en principe être utilisées pour rechercher des antiprotons ou des antideutrons cosmiques (un noyau composé d’un antiproton et d’un antineutron) de particulièrement faible vitesse qui frappent l’hélium liquide ou superfluide utilisé pour refroidir les expériences dans l’espace ou dans les ballons à haute altitude. Cependant, de nombreux défis techniques doivent être surmontés avant que la méthode ne devienne complémentaire aux techniques existantes de recherche de ces formes d’antimatière.
Référence : “Résonances laser à haute résolution de l’hélium antiprotonique dans un superfluide”. 4He” par Anna Sótér, Hossein Aghai-Khozani, Dániel Barna, Andreas Dax, Luca Venturelli et Masaki Hori, 16 mars 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04440-7
