Les physiciens du CERN observent la transition Lyman-alpha dans la physique de l’antihydrogène

Les physiciens de la collaboration ALPHA au CERN ont détecté la transition Lyman-alpha – lorsque l’électron de l’hydrogène passe du niveau de plus basse énergie (1S) au niveau de plus haute énergie (2P), émettant ou absorbant la lumière ultraviolette de 121,6 nm de longueur d’onde – dans l’atome d’antihydrogène, la contrepartie antimatière de l’hydrogène.

Impression d'artiste d'un nuage d'atomes d'antihydrogène piégés. Crédit image : Chukman So.

Impression d’artiste d’un nuage d’atomes d’antihydrogène piégés. Crédit photo : Chukman So.

La transition Lyman-alpha est l’une des nombreuses transitions électroniques de la série de Lyman qui ont été découvertes dans l’hydrogène atomique en 1906 par le physicien américain Theodore Lyman.

La transition se produit lorsqu’un électron saute du niveau 1S au niveau 2P et retombe ensuite au niveau 1S en émettant un photon à une longueur d’onde de 121,6 nm.

“Lorsqu’un atome excité se détend, il émet une lumière d’une couleur caractéristique, la couleur jaune des lampadaires au sodium en est un exemple quotidien”, a déclaré le professeur Mike Charlton de l’université de Swansea, membre de la collaboration ALPHA.

“Lorsque l’atome est de l’hydrogène, qui est un électron unique et un proton unique, et que l’électron excité se désintègre vers l’état d’énergie le plus bas à partir d’un état plus élevé, la série discrète de lumière ultraviolette émise forme la série de Lyman, qui doit son nom à Theodore Lyman.”

“La présence de ces lignes discrètes a permis d’établir la théorie de la mécanique quantique qui régit le monde au niveau atomique et constitue l’une des pierres angulaires de la physique moderne.”

“La ligne Lyman-alpha est d’une importance fondamentale en physique et en astronomie.”

“Par exemple, les observations en astronomie sur la façon dont la raie des émetteurs lointains est décalée vers des longueurs d’onde plus grandes (connu sous le nom de redshift), nous donne des informations sur la façon dont l’Univers évolue, et permet de tester les modèles qui prédisent son avenir.”

L'électron et le proton de l'hydrogène ont des homologues antimatière de charge opposée dans l'antihydrogène : le positron et l'antiproton. Crédit image : NSF.

L’électron et le proton de l’hydrogène ont des contreparties antimatière de charge opposée dans l’antihydrogène : le positron et l’antiproton. Crédit image : NSF.

L’expérience ALPHA fabrique 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.

Elle confine ensuite les atomes d’antihydrogène résultants dans un piège magnétique, qui les empêche d’entrer en contact avec la matière et de s’annihiler. Une lumière laser est alors projetée sur les atomes piégés afin de mesurer leur réponse spectrale. La mesure consiste à utiliser une gamme de fréquences laser et à compter le nombre d’atomes qui tombent du piège à la suite d’interactions entre le laser et les atomes piégés.

L’équipe ALPHA a déjà utilisé cette technique pour mesurer la transition 1S-2S.

En utilisant la même approche et une série de longueurs d’onde laser autour de 121,6 nm, les physiciens ont maintenant détecté la transition Lyman-alpha dans l’antihydrogène et mesuré sa fréquence avec une précision de quelques parties sur cent millions, obtenant un bon accord avec la transition équivalente dans l’hydrogène.

Cette précision n’est pas aussi élevée que celle obtenue dans l’hydrogène, mais la découverte représente une étape technologique cruciale vers l’utilisation de la transition Lyman-alpha pour refroidir de grands échantillons d’antihydrogène en utilisant une technique connue sous le nom de refroidissement par laser.

“Cela représente une autre avancée importante en physique atomique, qui devrait ouvrir la voie à la manipulation des énergies cinétiques des anti-atomes piégés”, a déclaré le professeur Charlton.

“Nous sommes très heureux de ce résultat”, a déclaré le professeur Jeffrey Hangst, porte-parole de la collaboration ALPHA et physicien à l’université d’Aarhus.

La transition Lyman-alpha est notoirement difficile à sonder, même dans l’hydrogène “normal”. Mais en exploitant notre capacité à piéger et à maintenir un grand nombre d’atomes d’antihydrogène pendant plusieurs heures, et en utilisant une source pulsée de lumière laser Lyman-alpha, nous avons pu observer cette transition.”

“La prochaine étape est le refroidissement par laser, qui changera la donne pour la spectroscopie de précision et les mesures gravitationnelles.”

Les résultats sont publiés dans la revue Nature.

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