En 1947, le physicien américain Willis Lamb et ses collègues ont observé un changement incroyablement faible des niveaux d’énergie de l’atome d’hydrogène lorsque l’électron et le proton de l’atome interagissaient avec le vide. Selon les théories traditionnelles de la physique de l’époque, le décalage de Lamb n’aurait pas dû se produire. Le “rien” du vide ne devrait pas influencer le comportement atomique de l’hydrogène. Cette découverte a conduit à l’élaboration d’une nouvelle théorie de l’électrodynamique quantique pour expliquer cette divergence et a valu à Lamb le prix Nobel de physique en 1955. Aujourd’hui, les physiciens de la collaboration ALPHA au CERN ont détecté et mesuré le décalage de Lamb dans l’antihydrogène, la contrepartie antimatière de l’hydrogène.
Impression d’artiste d’un nuage d’atomes d’antihydrogène piégés. Crédit photo : Chukman So.
ALPHA est une collaboration internationale de recherche sur l’antimatière basée au CERN, composée de 50 scientifiques de huit pays.
Elle crée des atomes d’antihydrogène en liant des antiprotons délivrés par le décélérateur d’antiprotons du CERN à des positrons (antiélectrons). Il les confine ensuite dans un piège magnétique sous ultravide, ce qui les empêche d’entrer en contact avec la matière et de s’annihiler. Une lumière laser est alors projetée sur les atomes piégés pour mesurer leur réponse spectrale.
Cette technique permet de mesurer des effets quantiques connus comme la structure fine et le décalage de Lamb.
“L’observation du décalage de Lamb dans l’hydrogène a été un événement marquant dans l’histoire de la physique moderne”, a déclaré le Dr Makoto Fujiwara, physicien à TRIUMF, le centre canadien d’accélérateurs de particules, et membre de la collaboration ALPHA.
“Je pense que tous les physiciens qui ont travaillé dans une expérience sur l’antimatière ont rêvé de mesurer cet effet dans l’antihydrogène. Nous sommes ravis d’avoir enfin pu le faire, grâce à une nouvelle technologie laser avancée.”
Le hall du décélérateur d’antiprotons au CERN. Crédit photo : CERN.
La structure fine et le décalage de Lamb sont tous deux de petits fractionnements dans certains niveaux d’énergie (ou lignes spectrales) d’un atome, qui peuvent être étudiés par spectroscopie.
La division de la structure fine du deuxième niveau d’énergie de l’hydrogène est une séparation entre les lignes spectrales 2P et 2P.3/2 et 2P1/2 en l’absence de champ magnétique.
Le fractionnement est causé par l’interaction entre la vitesse de l’électron de l’atome et sa rotation intrinsèque (quantique).
Le décalage de Lamb “classique” est la séparation entre les deux états 2S et 2S.1/2 et 2P1/2 également en l’absence de champ magnétique. C’est le résultat de l’effet sur l’électron des fluctuations quantiques associées aux photons virtuels qui entrent et sortent de l’existence dans le vide.
L’équipe ALPHA a déterminé le dédoublement de la structure fine et le décalage de Lamb en provoquant et en étudiant les transitions entre le niveau d’énergie le plus bas de l’antihydrogène et le niveau d’énergie de 2P3/2 et 2P1/2 en présence d’un champ magnétique de 1 Tesla.
En utilisant la valeur de la fréquence d’une transition qu’ils avaient précédemment mesurée, la transition 1S-S, et en supposant que certaines interactions quantiques étaient valables pour l’antihydrogène, les scientifiques ont déduit de leurs résultats les valeurs du fractionnement de la structure fine et du décalage de Lamb.
Ils ont trouvé que les valeurs déduites sont cohérentes avec les prédictions théoriques des fractionnements dans l’hydrogène, avec une incertitude expérimentale de 2% pour le fractionnement de la structure fine et de 11% pour le décalage de Lamb.
“Dans le cadre de la précision de notre expérience, le décalage de Lamb de l’antihydrogène est identique à celui d’un atome d’hydrogène ordinaire”, a déclaré le Dr Takamasa Momose, chercheur à l’Université de Colombie britannique et membre de la collaboration ALPHA.
“Ces travaux confirment qu’une partie essentielle de la théorie de l’électrodynamique quantique est valable pour la matière et l’antimatière. Cela nous rapproche un peu plus de la compréhension des différences entre la matière et l’antimatière, et de la raison pour laquelle tant d’antimatière a disparu après le Big Bang.”
“Trouver une quelconque différence entre ces deux formes de matière ébranlerait les fondements du modèle standard de la physique des particules, et ces nouvelles mesures sondent des aspects de l’interaction antimatière – comme le décalage de Lamb – que nous attendons depuis longtemps”, a déclaré le Dr Jeffrey Hangst, porte-parole de l’expérience ALPHA.
“Prochainement sur notre listerefroidit de grands échantillons d’antihydrogène à l’aide de techniques de refroidissement laser de pointe. Ces techniques vont transformer les études sur l’antimatière et permettront des comparaisons d’une précision sans précédent entre la matière et l’antimatière.”
Les résultats sont publiés dans le journal Nature.
