Les physiciens de l’expérience ALPHA du CERN rapportent aujourd’hui la toute première mesure du spectre optique d’un atome d’antimatière.
Impression d’artiste d’un nuage d’atomes d’antihydrogène piégés. Crédit photo : Chukman So.
“L’utilisation d’un laser pour observer une transition dans l’antihydrogène et la comparer à l’hydrogène pour voir s’ils obéissent aux mêmes lois de la physique a toujours été un objectif clé de la recherche sur l’antimatière”, a déclaré le Dr Jeffrey Hangst, porte-parole de la collaboration ALPHA.
Le résultat d’ALPHA est la première observation d’une ligne spectrale dans un atome d’antihydrogène, permettant de comparer pour la première fois le spectre lumineux de la matière et de l’antimatière.
Dans les limites expérimentales, le résultat ne montre aucune différence par rapport à la ligne spectrale équivalente dans l’hydrogène.
Ceci est cohérent avec le modèle standard de la physique des particules, la théorie qui décrit le mieux les particules et les forces qui agissent entre elles, qui prédit que l’hydrogène et l’antihydrogène devraient avoir des caractéristiques spectroscopiques identiques.
Les détails de cette recherche ont été publiés aujourd’hui dans le journal Nature.
ALPHA est une expérience menée dans l’installation du décélérateur d’antiprotons du CERN, capable de produire des atomes d’antihydrogène et de les maintenir dans un piège magnétique spécialement conçu à cet effet, en manipulant quelques antiatomes à la fois. Le piégeage des atomes d’antihydrogène permet de les étudier à l’aide de lasers ou d’autres sources de rayonnement.
“Le déplacement et le piégeage des antiprotons ou des positrons sont faciles parce que ce sont des particules chargées”, a déclaré le Dr Hangst.
“Mais lorsque vous combinez les deux, vous obtenez de l’antihydrogène neutre, qui est beaucoup plus difficile à piéger, nous avons donc conçu un piège magnétique très spécial qui s’appuie sur le fait que l’antihydrogène est un peu magnétique.”
L’antihydrogène est fabriqué en mélangeant des plasmas d’environ 90 000 antiprotons provenant du décélérateur d’antiprotons avec des positrons, ce qui entraîne la production d’environ 25 000 atomes d’antihydrogène par tentative.
Les atomes d’antihydrogène peuvent être piégés s’ils se déplacent assez lentement lors de leur création.
En utilisant une nouvelle technique dans laquelle les chercheurs empilent les anti-atomes résultant de deux cycles de mélange successifs, il est possible de piéger en moyenne 14 anti-atomes par essai, contre seulement 1,2 avec les méthodes précédentes.
En illuminant les atomes piégés avec un faisceau laser à une fréquence précisément accordée, ils peuvent observer l’interaction du faisceau avec les états internes de l’antihydrogène.
La mesure a été faite en observant la transition dite 1S-2S.
L’état 2S de l’hydrogène atomique a une longue durée de vie, ce qui entraîne une largeur de raie naturelle étroite, et se prête donc particulièrement bien aux mesures de précision.
“Dans notre expérience, nous avons piégé des atomes d’antihydrogène dans notre piège magnétique et les avons éclairés avec une lumière laser dont la longueur d’onde est proche de 243 nm”, expliquent les physiciens.
” Dans une série de passages, nous avons accordé la lumière de manière à ce qu’elle soit en résonance avec la transition 1S-2S de l’hydrogène, et dans une seconde série, de manière à ce qu’elle soit désaccordée de 200 kHz “. Les interactions entre le laser et les atomes piégés devraient provoquer la perte d’atomes dans le piège.”
“Dans chaque série, après 600s d’illumination, nous avons compté le nombre d’atomes restés dans le piège en utilisant notre détecteur d’imagerie d’annihilation.”
“Lorsque le laser était accordé à la résonance, nous avons observé 67 atomes en 11 passages ; lorsque le laser était désaccordé, nous avons compté 159 atomes dans le même nombre de passages.”
“Nous avons également cherché des signes d’annihilation des atomes lorsqu’ils quittaient le piège alors que le laser était allumé. Lorsque le laser était en résonance, nous avons observé 79 événements qui passent nos critères d’inclusion, et 27 lorsqu’il était hors résonance. Ces deux comparaisons nous permettent de conclure que la lumière du laser en résonance interagit avec les atomes d’antihydrogène via leur transition 1S-2S.”
“Ce premier résultat implique que la transition 1S-2S dans l’hydrogène et l’antihydrogène ne sont pas trop différentes, et les prochaines étapes consistent à mesurer la forme des lignes de la transition et à augmenter la précision de la mesure.”
La collaboration ALPHA prévoit d’améliorer la précision de ses mesures à l’avenir.
