De nouveaux résultats sur les comparaisons matière-antimatière

Publié par Redbran le 07/01/2022 à 13:00
Source: CERN
Expérience BASE: la collaboration a effectué la comparaison la plus précise à ce jour entre les protons et les antiprotons, ainsi qu'une étude visant à déterminer s'ils se comportent de la même façon sous l'influence de la gravité


Vue de l'expérience BASE (Image: CERN)

Dans un article publié le 5 janvier dans la revue Nature, la collaboration BASE au CERN annonce la comparaison la plus précise jamais effectuée entre les protons et les antiprotons (équivalents des protons dans l'antimatière).

Après avoir analysé les résultats de mesures effectuées sur le proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire...) et l'antiproton pendant un an et demi auprès de l'usine d'antimatière (L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière...) du CERN, installation unique au monde (Le mot monde peut désigner :), la collaboration BASE a mesuré avec une précision inégalée les rapports entre la charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de...) et la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) (rapport charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) sur masse) pour le proton et l'antiproton. Les résultats montrent que ces rapports sont identiques pour le proton et l'antiproton dans les limites d'une incertitude expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes...) de 16 millionièmes de millionièmes.

"Ce résultat représente le test direct le plus précis d'une symétrie fondamentale entre matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) et antimatière réalisé avec des baryons ̶ particules composées de trois quarks ̶ et leurs antiparticules", a déclaré Stefan Ulmer, porte-parole de l'expérience BASE.

Selon le Modèle standard, la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) des particules et de leurs interactions la plus solide à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...), les particules de matière et d'antimatière peuvent différer, par exemple dans la manière dont elles se transforment en d'autres particules, mais la plupart de leurs propriétés, y compris leur masse, doivent être identiques. Le moindre écart constaté entre la masse du proton et celle de l'antiproton, ou entre les rapports charge sur masse, briserait une symétrie fondamentale du Modèle standard, appelée symétrie CPT, et pourrait indiquer la présence de nouveaux phénomènes de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) au-delà du Modèle standard.

Un tel écart pourrait aussi donner un nouvel éclairage sur la raison pour laquelle l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) est entièrement constitué de matière, alors que matière et antimatière doivent avoir 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...). Les différences entre les particules de matière et d'antimatière, qui sont cohérentes avec le Modèle standard, sont trop faibles pour expliquer ce déséquilibre cosmique observé.

Pour réaliser ces mesures concernant le proton et l'antiproton, la collaboration BASE a confiné, dans un piège de particules très performant appelé piège de Penning, les antiprotons et les ions d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) négatifs[1], qui sont les particules négatives remplaçant les protons dans cette expérience. Dans ce dispositif, une particule suit une trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et...) cyclique avec une fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) proche de la fréquence cyclotron (Le cyclotron est un type d’accélérateur circulaire inventé par Ernest Orlando Lawrence en...), qui est proportionnelle à l'intensité du champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) du piège et au rapport charge sur masse de la particule.

Après avoir alimenté le piège tour à tour en antiprotons et en ions d'hydrogène négatifs, l'équipe a mesuré, dans les mêmes conditions, les fréquences cyclotron de ces deux types de particules, et a ainsi pu comparer leurs rapports charge sur masse respectifs.

Réalisées au cours de quatre campagnes menées entre décembre 2017 et mai 2019, ces mesures ont permis d'établir plus de 24 000 comparaisons de fréquences cyclotron, chacune d'une durée de 260 secondes, entre les rapports charge sur masse des antiprotons et ceux des ions d'hydrogène négatifs. À partir de ces comparaisons, et après avoir pris en compte la différence existant entre un proton et un ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais,...) d'hydrogène négatif, la collaboration BASE a constaté que les rapports charge sur masse des protons et des antiprotons sont identiques, dans les limites d'une incertitude expérimentale de 16 millionièmes de millionièmes.

"Ce résultat est quatre fois plus précis que la meilleure comparaison effectuée précédemment entre ces rapports. Le rapport charge sur masse est désormais la propriété de l'antiproton mesurée avec la plus grande précision, explique Stefan Ulmer. Pour atteindre cette précision, nous avons apporté à l'expérience des améliorations considérables et réalisé les mesures lorsque l'usine d'antimatière était à l'arrêt, en utilisant notre réservoir d'antiprotons, où les antiprotons peuvent être stockés pendant des années." L'intérêt de mesurer la fréquence cyclotron lorsque l'usine d'antimatière est à l'arrêt est que les mesures ne sont pas affectées par les perturbations subies par le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique de l'expérience.

Ces mesures de la collaboration BASE, outre qu'elles sont d'une précision inédite, ont permis de fixer des limites strictes aux modèles au-delà du Modèle standard qui violent la symétrie CPT, et de mettre à l'épreuve une loi de physique fondamentale connue sous le nom de "principe d'équivalence faible".

Selon ce principe, tous les corps subissant le même champ gravitationnel sont accélérés de la même façon en l'absence de forces de frottement (Les frottements sont des interactions qui s'opposent à la persistance d'un mouvement relatif entre...). L'expérience BASE étant placée à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...), les mesures de la fréquence cyclotron des protons et des antiprotons ont été réalisées dans le champ gravitationnel présent à la surface de la Terre. Toute différence entre l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) gravitationnelle des protons et celle des antiprotons se traduirait par un écart entre la fréquence cyclotron des protons et celle des antiprotons.

En échantillonnant le champ gravitationnel variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle...) de la Terre, suivant la position de la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de...) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...), les scientifiques de l'expérience BASE n'ont trouvé aucun écart et ont fixé une valeur maximum de trois centièmes à cette mesure différentielle.

"Cette limite est comparable à la précision initialement visée par les expériences étudiant la chute de l'antihydrogène dans le champ gravitationnel de la Terre, ajoute Stefan Ulmer. L'expérience BASE n'étudie pas directement la chute de l'antimatière dans le champ gravitationnel de la Terre, mais notre mesure de l'influence de la gravité sur une particule d'antimatière baryonique est très similaire sur le plan conceptuel, et elle ne fait apparaître aucune anomalie dans l'interaction entre l'antimatière et la gravité au niveau d'incertitude atteint ".

Vidéos:
Vidéo à propos de l'expérience BASE: https://videos.cern.ch/record/2289533
Vidéo à propos de l'usine d'antimatière: https://videos.cern.ch/record/2312142

Photos:
Expérience BASE: https://cds.cern.ch/record/2748765
Piège de Penning de l'expérience BASE: https://cds.cern.ch/record/2748764

Note:
[1] Atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...) d'hydrogène qui a capturé un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) supplémentaire.
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