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Posté par Adrien le Vendredi 06/04/2018 à 00:00
Des mesures sur l'antimatière d'une précision inégalée
La collaboration ALPHA a annoncé la mesure directe la plus précise jamais réalisée sur l'antimatière, révélant pour la première fois la structure spectrale de l'atome d'antihydrogène. Le résultat, publié aujourd'hui dans la revue Nature, est l'aboutissement de trois décennies de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) et de développement au CERN, et ouvre une ère entièrement nouvelle de mesures de haute précision des différences entre matière et antimatière.


Expérience ALPHA (Image : Maximilien Brice/CERN)

Le modeste atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) d'hydrogène, comprenant un seul électron en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco, Megatriorchis,...) d'un seul proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.), occupe en fait une place centrale dans la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.), et est à la base de la représentation atomique moderne. Son spectre est caractérisé par des raies spectrales bien connues à certaines longueurs d'ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.), correspondant à l'émission de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement...) d'une fréquence ou d'une couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) donnée au moment où les électrons passent d'une orbite à une autre. Les mesures du spectre de l'hydrogène concordent avec les prédictions théoriques à un niveau de l'ordre de quelques parties par million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et qui précède un million un...) de milliards (10^15) - un résultat exceptionnel que les chercheurs sur l'antimatière cherchent depuis longtemps à obtenir pour l'antihydrogène.

Comparer ces mesures avec celles effectuées sur les atomes d'antihydrogène, lesquels comprennent un antiproton autour duquel tourne un positon, permet de vérifier la validité d'une symétrie fondamentale appelée invariance CPT (charge-parité-temps). Le fait de trouver la moindre différence entre les deux ensembles de mesures permettrait de consolider les fondations (Les fondations d'un ouvrage assurent la transmission et la répartition des charges (poids propre et surcharges climatiques et d'utilisation) de cet ouvrage sur le...) du Modèle standard de la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi physique des...) et éventuellement de mieux comprendre pourquoi l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) est constitué presque intégralement de matière, alors que matière et antimatière auraient été produites en quantités égales lors du Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des modèles cosmologiques qui la décrivent, sans que cela...). Toutefois, jusqu'à présent, il était pratiquement impossible de produire et piéger des quantités suffisantes d'atomes d'antihydrogène, qui sont très délicats, et de disposer des outils nécessaires, afin de pouvoir procéder à des mesures spectroscopiques complexes sur l'antihydrogène. 

La collaboration ALPHA produit des atomes d'antihydrogène en recueillant des antiprotons du Décélérateur d'antiprotons (AD) du CERN, et en les liant (Un liant est un produit liquide qui agglomère des particules solides sous forme de poudre. Dans le domaine de la peinture, il permet au pigment...) à des positons provenant de l'isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre...) Na-22. Elle emprisonne ensuite les atomes d'antihydrogène qui en résultent dans un piège magnétique, qui les empêche d'entrer en contact avec la matière et d'être annihilés. Une lumière laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de...) est alors projetée sur les atomes d'antihydrogène piégés, et la réaction de ces derniers est mesurée et finalement comparée à celle des atomes d'hydrogène.

En 2016, la collaboration ALPHA a employé cette méthode pour mesurer la fréquence de la transition électronique entre l'état d'énergie le plus faible et le premier état excité (transition dite « 1S-2S ») de l'antihydrogène avec une précision de l'ordre de quelques parties pour dix milliards, et trouvé une bonne concordance avec la transition équivalente dans l'hydrogène. Pour obtenir ces mesures, deux fréquences laser ont été utilisées : l'une correspondant à la fréquence de la transition 1S-2S dans l'hydrogène, l'autre décalée de la première. On a ensuite compté le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'atomes échappés du piège du fait des interactions entre le laser et les atomes piégés.

Ce nouveau résultat de la collaboration ALPHA fait progresser la spectroscopie de l'antihydrogène en utilisant non pas une, mais plusieurs fréquences laser, avec des fréquences légèrement plus élevées et légèrement inférieures à la fréquence de transition 1S-2S dans l'hydrogène. Cela a permis à la collaboration de mesurer la forme spectrale, ou dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les différentes fréquences constituant...) des couleurs, de la transition 1S-2S dans l'hydrogène, et de mesurer plus précisément sa fréquence. La forme correspond parfaitement à celle attendue pour l'hydrogène, et la collaboration ALPHA a pu déterminer la fréquence de la transition 1S-2S de l'antihydrogène avec une précision de l'ordre de quelques parties pour mille milliards, un résultat 100 fois plus précis que la mesure de 2016.

« La précision obtenue avec cette nouvelle mesure est une ultime réussite pour nous, explique Jeffrey Hangst, porte-parole de l'expérience ALPHA. Cela fait 30 ans que nous essayons de l'obtenir, et nous y sommes enfin parvenus. »

Bien que cette précision soit encore inférieure à celle obtenue pour l'hydrogène, les progrès rapides de la collaboration ALPHA laissent espérer qu'une précision pour l'antihydrogène identique à celle obtenue pour l'hydrogène (et par conséquent des tests sans précédent de la symétrie CPT) est à portée de main (La main est l’organe préhensile effecteur situé à l’extrémité de l’avant-bras et relié à ce dernier par le...). « Il s'agit d'une véritable spectroscopie laser avec l'antimatière, qui intéressera aussi les physiciens travaillant sur la matière », ajoute J. Hangst. Nous sommes en train de tirer parti de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) du potentiel du Décélérateur d'antiprotons du CERN ; c'est un changement de paradigme. »

Jeffrey Hangst, porte-parole d'ALPHA, explique les nouveaux résultats. (Vidéo : Jacques Hervé Fichet/CERN)

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Source: Cristina Agrigoroae - Copyright CERN