Les physiciens de la collaboration ASACUSA (Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons) au CERN ont réussi à synthétiser et à étudier des atomes d’hélium pionique prévus par la théorie mais jamais vérifiés auparavant. Leurs résultats marquent la première fois que de telles mesures spectroscopiques ont été effectuées sur un atome exotique contenant un méson.
Appareil expérimental utilisé pour synthétiser des atomes d’hélium pioniques à l’Institut Paul Scherrer. Crédit image : Collaboration ASACUSA, CERN.
“Les mesures spectroscopiques par laser d’atomes exotiques contenant des mésons pourraient être utilisées pour déterminer avec une grande précision la masse et d’autres propriétés des mésons constituants, ainsi que pour fixer des limites aux nouvelles forces possibles impliquant des mésons “, a déclaré Masaki Hori, physicien au Max-Planck-Institut für Quantenoptik et co-porte-parole de la collaboration ASACUSA.
“Pour le méson utilisé dans notre étude, l’un des mésons les plus légers, nous pourrions éventuellement être en mesure de déterminer sa masse avec une précision inférieure à environ une partie sur cent millions.”
“Cela serait 100 fois plus précis que ce qui a été réalisé jusqu’à présent, et permettrait de faire une comparaison précise avec la prédiction du modèle standard.”
L’atome d’hélium pionique créé par le Dr Hori et ses collègues est constitué d’un noyau provenant d’un isotope de l’hélium (hélium-4), d’un électron et d’un pion chargé négativement dans un état d’énergie élevé. Sa durée de vie est plus de mille fois supérieure à celle de tout autre atome contenant un pion.
Pour fabriquer ces atomes, les physiciens ont pris des pions chargés négativement fournis par l’installation de cyclotron en anneau de 590 MeV de l’Institut Paul Scherrer (PSI) et les ont concentrés à l’aide d’un aimant dans une cible contenant de l’hélium superfluide.
Un pion remplace l’un des deux électrons d’un atome d’hélium normal pour former de l’hélium pionique. Crédit image : Collaboration ASACUSA, CERN.
Ensuite, pour confirmer que les atomes ont bien été créés et pour étudier la façon dont ils absorbent et résonnent avec la lumière, les chercheurs ont tiré des rayons laser de différentes fréquences sur la cible et ont cherché des cas où les pions ont fait un saut quantique entre différents niveaux d’énergie de leurs atomes hôtes.
Après quelques essais et erreurs en jouant avec différentes fréquences laser, ils ont pu identifier un saut spécifique.
Ce saut devait entraîner l’absorption du pion par le noyau d’hélium et la rupture subséquente de ce dernier en un proton, un neutron et une particule composite composée d’un proton et d’un neutron.
“Nous avons détecté ces fragments à l’aide d’un réseau de détecteurs de particules qui a également été fabriqué au CERN et apporté au PSI, confirmant ainsi que les pions avaient effectivement fait le saut”, ont déclaré les scientifiques.
“La prochaine étape de notre programme consiste à améliorer la précision avec laquelle le saut a été identifié et à rechercher d’autres sauts, en vue de les utiliser pour mesurer la masse des pions et tester le modèle standard.”
Les travaux de l’équipe ont été publiés dans la revue Nature.
