La collaboration ALPHA au CERN a annoncé les premières mesures de certains effets quantiques dans l'antimatière

Publié par Redbran le 24/02/2020 à 14:00
Source: CERN
Les mesures, qui concordent avec les prédictions pour la matière "ordinaire", ouvrent la voie à de futures études de précision.


L'expérience ALPHA dans le hall du Décélérateur d'antiprotons au CERN. (Image: CERN)

La collaboration ALPHA au CERN a annoncé les premières mesures de certains effets quantiques dans la structure énergétique de l'antihydrogène, l'équivalent en 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...) de l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.). Ces effets quantiques sont connus pour ce qui concerne 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, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace...), et leur étude pourrait révéler des différences encore non observées entre le comportement de la matière et celui de l'antimatière. D'après les résultats présentés dans un article publié dans la revue Nature, ces premières mesures concordent avec les prédictions théoriques de ces effets dans l'hydrogène "ordinaire", et ouvrent la voie à des mesures plus précises de ces grandeurs et d'autres quantités fondamentales.

"L'observation de toute différence entre ces deux formes de matière remettrait en cause les fondements 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 parfois physique des hautes...). Ces nouvelles mesures portent sur des aspects des interactions dans l'antimatière - telles que le déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense...) de Lamb - que nous voulions étudier depuis longtemps, souligne Jeffrey Hangst, porte-parole de l'expérience ALPHA.

Notre prochaine tâche consistera à refroidir de grands échantillons d'antihydrogène au moyen de techniques ultramodernes de refroidissement au laser. Ces techniques transformeront les études sur l'antimatière et permettront des comparaisons matière-antimatière d'une précision inégalée."

L'équipe d'ALPHA crée des atomes d'antihydrogène en 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 est alors...) des antiprotons fournis par le Décélérateur d'antiprotons du CERN avec des antiélectrons, communément appelés "positons". Les atomes d'antihydrogène ainsi produits sont ensuite confinés dans un piège magnétique sous ultra-vide, qui les empêche d'entrer en contact avec la matière et d'être annihilés. Une 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...) laser est alors envoyée sur les atomes d'antihydrogène piégés, ce qui permet de mesurer la réponse spectrale de ces derniers. Cette technique constitue un moyen de mesurer des effets quantiques connus tels que la "structure fine" et le déplacement de Lamb, qui correspondent à de minuscules dédoublements dans certains niveaux 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.) de 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 généralement...). Avec cette étude, ces effets sont mesurés pour la première fois dans l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite...) d'antihydrogène. L'équipe a utilisé précédemment cette approche pour mesurer d'autres effets quantiques dans l'antihydrogène, avec tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) dernièrement une mesure de la transition Lyman-alpha.

La structure fine a été mesurée dans l'hydrogène atomique 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 durée d'une génération humaine et faisait 33 ans 4 mois (d'où peut être l'âge du...) ; c'est ce qui a permis l'introduction d'une constante fondamentale (En physique, la notion de constante fondamentale peut prendre deux significations : cela peut être) de la nature correspondant à l'intensité de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) électromagnétique entre particules élémentaires chargées. Le déplacement de Lamb a été découvert dans le même système il y a environ 70 ans ; il a joué un rôle central dans le développement de l'électrodynamique quantique (L'électrodynamique quantique relativiste est une théorie physique ayant pour but de concilier l'électromagnétisme avec la mécanique quantique en utilisant un formalisme Lagrangien relativiste.), qui est la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...) décrivant l'interaction de la matière et de la lumière.

La mesure du déplacement de Lamb, laquelle à valu à Willis Lamb le prix Nobel de physique (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les dernières volontés du testament du chimiste Alfred Nobel. Il récompense des...) en 1955, avait été annoncée en 1947 à la fameuse conférence de Shelter Island, qui était la première occasion après la guerre d'une réunion des figures les plus éminentes de la communauté 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 connaissance de la...) des États-Unis.

Note technique:

La structure fine et le déplacement de Lamb sont de petits dédoublements se produisant dans certaines raies spectrales (niveaux d'énergie) d'un atome. Ces effets peuvent être étudiés par spectroscopie. Le dédoublement en structure fine du deuxième niveau d'énergie de l'hydrogène est une séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans plusieurs domaines :) se produisant entre les niveaux dits 2P3/2 et 2P1/2, en l'absence de champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée...). Ce dédoublement est produit par l'interaction entre la vitesse (On distingue :) de l'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.) de l'atome et sa rotation intrinsèque (quantique). Le déplacement de Lamb "classique" est le dédoublement entre les niveaux 2S1/2 et 2P1/2, également en l'absence d'un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique. C'est le résultat de l'effet sur l'électron de fluctuations quantiques associées à des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d'un point de...) virtuels se manifestant par intermittence dans un vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.).

Dans cette nouvelle étude, l'équipe 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...) d'ALPHA a mesuré le dédoublement en structure fine et le déplacement de Lamb en provoquant puis en étudiant les transitions entre le niveau d'énergie le plus bas de l'antihydrogène et les niveaux 2P3/2 et 2P1/2 en présence d'un champ magnétique de 1 tesla. En s'appuyant sur la valeur de la 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 emploie le mot fréquence sans précision, on...) d'une transition déjà mesurée précédemment, la transition 1S-2S, et en supposant que certaines interactions quantiques sont valables pour l'antihydrogène, les chercheurs ont déduit de leurs résultats les valeurs du dédoublement en structure fine et du déplacement de Lamb. Ils ont constaté que les valeurs ainsi déduites concordent avec les prédictions théoriques des dédoublements dans l'hydrogène "ordinaire", avec une marge d'incertitude expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. En...) de 2 % pour le dédoublement en structure fine et de 11 % pour le déplacement de Lamb.
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