Des impulsions d'atomes d'antihydrogène pour mesurer la gravité

Publié par Redbran le 05/03/2021 à 13:00
Source: CNRS INP
Mesurer la gravité à laquelle est soumise l'antimatière est un des défis actuels, avec pour enjeu de tester les lois fondamentales de la physique. Dans le cadre de la collaboration AEgIS au CERN, les physiciens et les physiciennes ont formé pour la première fois des atomes d'antihydrogène en mode pulsé, avec une précision temporelle inégalée de 250 ns, une étape majeure qui permettra de manipuler ces atomes et de mesurer avec précision l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique,...) à laquelle est soumis l'antihydrogène sous l'effet de la gravitation (La gravitation est le phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction...) terrestre.


Figure 1: Expérience AEgIS. Crédit: CERN

Plusieurs programmes d'expériences au CERN ont pour projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...) d'étudier l'antihydrogène (H), la forme neutre la plus simple de l'antimatière (L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière...) à savoir un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) similaire à l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...) d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) mais constitué d'un antiproton (p) au lieu d'un proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire...) et d'un positron (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron....) (e+) au lieu d'un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) (e-) [1]. Il s'agit plus précisément de sonder ses propriétés vis-à-vis de la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.): s'applique-t-elle de la même manière à l'antimatière qu'à la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) comme le dit la théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de...) générale ? S'il y a une différence, elle est probablement infime (-6 g) et des expériences extrêmement sensibles et précises sont nécessaires pour la mesurer.

L'expérience AEgIS (Antihydrogen Experiment: gravity, Interferometry, Spectrometry) a pour but de faire des mesures en utilisant des impulsions de faisceaux d'atomes de H. Une large collaboration internationale à laquelle ont participé des physiciennes et des physiciens du Laboratoire Aimé Cotton (Aimé Auguste Cotton est un physicien, né à Bourg-en-Bresse en 1869, et mort à Sèvres en 1951....) (LAC (En limnologie, un lac est une grande étendue d'eau située dans un continent où il...), CNRS/Univ Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région...) Saclay), du Laboratoire Kastler Brossel (LKB, CNRS/Sorbonne Univ/ENS Paris/Collège de France) et l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) de Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) des deux Infinis de Lyon (IP2I Lyon, CNRS/Univ. Claude Bernard (Claude Bernard, né le 12 juillet 1813 à Saint-Julien (Rhône) et mort le...) Lyon 1), vient de démontrer une nouvelle méthode de formation d'atomes H, de façon pulsée, avec une détermination de l'instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas...) de formation trois ordres de grandeur plus précise que pour les méthodes antérieures. C'est une étape décisive dans la réalisation des faisceaux d'atomes nécessaires pour ces études. Ce résultat est publié dans la revue Communications Physics.

Afin de former les atomes d'antihydrogène, un faisceau de positrons est envoyé sur une cible de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si...) pour préalablement former des atomes de positronium (Le positronium est un système quasi-stable constitué d'un positron et d'un électron formant...) (atomes formés d'un positron (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron....) et d'un électron). Ces derniers sont excités par un laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...) impulsionnel dans des états de Rydberg, c'est-à-dire des états très excités pour lesquels les orbites de l'électron ou du positron sont très grandes. Ils cèdent ensuite leur positron à des antiprotons piégés à basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) par des champs électromagnétiques, ce qui conduit à la formation d'atomes H.

L'expertise des laboratoires français a été utilisée pour analyser et produire l'excitation laser des atomes de Rydberg du positronium qui ont la particularité de présenter un grand effet Doppler. Il s'agit ici de la première réalisation avec un mode pulsé d'atomes H et la précision inégalée obtenue sera mise à profit dans les futures expériences pour la manipulation des atomes par des lasers ou des champs électriques impulsionnels et les mesures de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) de vol.

Note:
[1] Un antiproton est une particule de même masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) que le proton mais de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) négative. Un positron est une particule de même masse que l'électron mais de charge positive.


Référence:
Pulsed production of antihydrogen. C. Amsler, M. Antonello, A. Belov, G. Bonomi, R. Sennen Brusa, M. Caccia, A. Camper, R. Caravita, F. Castelli, P. Cheinet, D. Comparat, G. Consolati, A. Demetrio, L. Di Noto, M. Doser, M. Fanì, R. Ferragut, J. Fesel, S. Gerber, M. Giammarchi, A. Gligorova, L.-T. Glöggler, F. Guatieri, S. Haider, A. Hinterberger, A. Kellerbauer, O. Khalidova, D. Krasnický, V. Lagomarsino, C. Malbrunot, S. Mariazzi, V. Matveev, S. Müller, G. Nebbia, P. Nedelec, L. Nowak, M. Oberthaler, E. Oswald, D. Pagano, L. Penasa, V. Petracek, L. Povolo, F. Prelz, M. Prevedelli, B. Rienäcker, O. Røhne, A. Rotondi, H. Sandaker, R. Santoro, G. Testera, I. Tietje, V. Toso, T. Wolz, P. Yzombard, C. Zimmer & N. Zurlo. Communications Physics. Publié le 08 février 2021.
DOI: 10.1038/s42005-020-00494-z
Article disponible sur la base d'archives ouverte hal

Contacts:
- Daniel Comparat - Directeur de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...), Laboratoire Aimé Cotton - daniel.comparat at universite-paris-saclay.fr
- Patrick Nédélec - Professeur à l'Univ. Claude Bernard Lyon 1, Institut de physique des deux infinis de Lyon - p.nedelec at ipnl.in2p3 (L'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) est un institut de...).fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) INP - inp.com at cnrs.fr
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