Une nouvelle façon de sonder la matière exotique facilite l’étude de la physique atomique et des particules.
Les physiciens ont créé une nouvelle façon d’observer les détails de la structure et de la composition des matériaux qui améliore les méthodes précédentes. La spectroscopie conventionnelle modifie la fréquence de la lumière qui brille sur un échantillon au fil du temps pour révéler des détails à son sujet. La nouvelle technique, la spectroscopie d’oscillation Rabi, n’a pas besoin d’explorer une large gamme de fréquences et peut donc fonctionner beaucoup plus rapidement. Cette méthode pourrait être utilisée pour interroger nos meilleures théories de la matière afin de mieux comprendre l’univers matériel.
Bien que nous ne puissions pas les voir à l’œil nu, nous connaissons tous les atomes qui composent tout ce que nous voyons autour de nous. Des collections de protons positifs, de neutrons neutres et d’électrons négatifs donnent naissance à toute la matière avec laquelle nous interagissons. Cependant, il existe des formes de matière plus exotiques, y compris des atomes exotiques, qui ne sont pas fabriqués à partir de ces trois composants de base. Le muonium, par exemple, est comme l’hydrogène, qui a généralement un électron en orbite autour d’un proton, mais a une particule de muon chargée positivement à la place du proton.
(Haut) L’extérieur de l’appareil installé dans un accélérateur de particules à l’installation J-PARC à Tokai, préfecture d’Ibaraki, au nord de Tokyo. (En bas à gauche) Les composants électroniques dont un capteur de haute précision. (En bas à droite) Une image microscopique détaillée du capteur au silicium qui effectue les observations. Crédit : © 2021 Torii et al.
Les muons sont importants dans la physique de pointe car ils permettent aux physiciens de tester nos meilleures théories sur la matière telles que l’électrodynamique quantique ou le modèle standard, avec des valeurs extrêmement élevées. précision. C’est en soi important, car ce n’est que lorsqu’une théorie robuste est poussée à ses extrêmes que des fissures proverbiales commencent à se former, ce qui pourrait indiquer où de nouvelles théories plus complètes sont nécessaires et même ce qu’elles pourraient être. C’est pourquoi l’étude du muonium est d’un grand intérêt pour la communauté des physiciens, mais jusqu’à présent elle a échappé à l’observation détaillée.
« Le muonium est un produit de très courte durée atome, il est donc important de faire des observations rapides avec autant de puissance que possible afin d’obtenir le meilleur signal à partir du temps d’observation limité », a déclaré le professeur agrégé Hiroyuki A. Torii de la Graduate School of Science de l’Université de Tokyo. “Les méthodes spectroscopiques conventionnelles nécessitent des observations répétées sur une gamme de fréquences pour trouver la fréquence clé particulière que nous recherchons, connue sous le nom de fréquence de résonance, et cela prend du temps.”
Ainsi, Torii et son équipe ont conçu un nouveau type de méthode spectroscopique qui utilise un effet physique bien compris connu sous le nom d’oscillation de Rabi. La spectroscopie d’oscillation Rabi n’a pas besoin de rechercher des signaux de fréquence pour transmettre des informations sur un atome. Au lieu de cela, il examine les données brutes du capteur, ou du domaine temporel, sur une période de temps plus courte et fournit des informations sur cette base. Cette nouvelle méthode offre des améliorations considérables en termes de précision.
« L’étude des atomes exotiques nécessite des connaissances en physique atomique de basse énergie et en physique des particules de haute énergie. Cette combinaison de disciplines au sein de la physique suggère que nous sommes sur la voie d’une compréhension plus complète de notre univers matériel », a déclaré Torii. « Je suis impatient de voir des physiciens utiliser la spectroscopie d’oscillation Rabi pour approfondir le monde des atomes exotiques contenant des particules et des isotopes inhabituels, ainsi que d’autres types de matière créés dans les accélérateurs de particules du monde entier. »
Référence : « Spectroscopie Rabi-Oscillation de la structure hyperfine des atomes de muonium » par S. Nishimura, HA Torii, Y. Fukao, TU Ito, M. Iwasaki, S. Kanda, K. Kawagoe, D. Kawall, N. Kawamura, N. Kurosawa, Y. Matsuda, T. Mibe, Y. Miyake, N. Saito, K. Sasaki, Y. Sato, S. Seo, P. Strasser, T. Suehara, KS Tanaka, T. Tanaka, J. Tojo , A. Toyoda, Y. Ueno, T. Yamanaka, T. Yamazaki, H. Yasuda, T. Yoshioka et K. Shimomura, 9 août 2021, Examen physique A Lettres.
DOI : 10.1103/PhysRevA.104.L020801
Financement : Ce travail a été soutenu par le numéro de subvention japonais JSPS KAKENHI JP23244046, JP26247046, JP15H05742, JP17H01133 et JP19K14746
