Antimatière: l'expérience ALPHA passe au niveau supérieur
Publié par Adrien le 24/08/2018 à 00:00
Source: Ana Lopes - Copyright CERN
Dans un article publié dans la revue Nature, la collaboration ALPHA annonce qu'elle a littéralement atteint un niveau supérieur dans la compréhension de l'antimatière. Les scientifiques ont en effet observé pour la première fois la transition électronique (Les transitions électroniques sont le passage d'un électron d'un niveau d'énergie à un autre.) Lyman-alpha dans l'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 chimiquement avec une autre. Il est...) d'antihydrogène, l'homologue de l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) dans l'antimatière (L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière classique — celle dont est faite la Terre. Le préfixe « anti- » signifie que l'antimatière est...). Ce résultat, qui intervient peu après une autre mesure réalisée récemment par la collaboration, montre qu'ALPHA ouvre résolument la voie à des expériences de précision qui pourraient lever le voile sur certaines différences de comportement entre la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide,...) et l'antimatière.


Jeffrey Hangst, porte-parole de la collaboration ALPHA, à côté de l'expérience. (Image: Maximilien Brice, Julien Ordan/CERN)

La transition Lyman-alpha (ou 1S-2P) est l'une des transitions électroniques découvertes dans l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec...) d'hydrogène il y a plus d'un siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la...) par le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient. Le mot physicien...) Theodore Lyman, et qui constituent la " série de Lyman ". La transition se produit lorsqu'un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) passe de son niveau d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) le plus faible (1S) à un niveau d'énergie plus élevée (2P), avant de revenir au niveau 1S en émettant un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux...) à une longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet...) 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.) de 121,6 nanomètres.

Cette transition est très particulière. En astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs propriétés physiques et chimiques. Elle ne doit pas être confondue...), elle permet aux scientifiques de sonder l'état du milieu présent entre deux galaxies (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la suite de deux...) et de mettre à l'épreuve des modèles du cosmos. Dans le cas des études sur l'antimatière, elle pourrait permettre de réaliser des mesures de précision sur la manière dont l'antihydrogène réagit à la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée...) et à la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.). Le fait de trouver la moindre différence entre le comportement de l'antimatière et celui de la matière 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 sol. Le mode de...) du Modèle standard de 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...) des particules 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...).

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 d'une peinture de coller sur le support, il...) 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...) 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 l'acronyme anglo-américain « light...) est alors projetée sur les atomes d'antihydrogène piégés, de manière à mesurer la réaction spectrale de ces derniers. Pour obtenir ces mesures, on utilise une gamme de fréquences laser et on compte 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.

La collaboration ALPHA a utilisé précédemment cette technique pour mesurer la transition dite 1S-2S. En adoptant la même approche, à partir d'une série de longueurs d'ondes laser au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales comme la continuité qui s'entend ici comme la continuité en tout point....) de 121,6 nanomètres, ALPHA a maintenant détecté la transition Lyman-alpha dans un atome d'antihydrogène et mesuré sa fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on...) avec une précision de l'ordre de quelques parties pour cent millions, en obtenant une bonne concordance avec la transition équivalente dans l'hydrogène.

La précision n'est pas aussi élevée que celle obtenue dans l'hydrogène, mais ce résultat représente un progrès technologique important en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) d'utiliser la transition Lyman-alpha pour refroidir des échantillons volumineux d'antihydrogène au moyen de la technique de refroidissement par laser. Grâce à tels échantillons, les scientifiques pourraient faire en sorte que ces mesures et d'autres mesures de l'antihydrogène soient d'une précision telle qu'il soit possible de voir apparaître des différences entre le comportement de l'antihydrogène et celui de l'hydrogène.

Nous sommes vraiment contents de ce résultat, déclare Jeffrey Hangst, porte-parole de l'expérience ALPHA. La transition Lyman-alpha est, on le sait, difficile à analyser – même dans de l'hydrogène “normal”C'est en tirant parti de notre capacité de piéger et de garder pendant plusieurs heures un grand nombre d'atomes d'antihydrogène, et en utilisant une source pulsée de lumière laser Lyman-alpha, que nous avons réussi à l'observer.La prochaine étape sera le refroidissement par laser, qui changera la donne pour ce qui est des mesures spectroscopiques et gravitationnelles de précision. "
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