Des scientifiques créent et étudient un nouvel atome exotique

Publié par Adrien le 07/05/2020 à 09:00
Source: CERN
D'autres études pourraient conduire à mettre à l'épreuve le Modèle standard de la physique des particules

Une équipe de scientifiques de la collaboration ASACUSA a transporté à l'Institut Paul Scherrer (PSI), près de Zurich, des équipements du CERN afin de permettre la production d'un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) exotique, prédit par la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) mais jamais vérifié expérimentalement, et a réalisé les premières mesures de la façon dont cet atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...) absorbe la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) et résonne avec celle-ci. Les résultats, publiés dans la revue Nature, sont inédits: il s'agit de la première mesure spectroscopique d'un atome exotique contenant un méson (Un méson est, en physique des particules, une particule composite (c’est-à-dire...), à savoir une particule constituée de deux particules fondamentales appelées quarks.


Production d'un atome d'hélium pionique: un pion (Le terme Pion peut désigner :) remplace l'un des deux électrons présents dans un atome d'hélium normal ; on obtient ainsi l'hélium pionique. Un laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...) à une fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) de résonance (La résonance est un phénomène selon lequel certains systèmes physiques...) provoque alors un saut quantique du pion, qui passe d'une orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps...) de cet atome d'hélium pionique à la suivante. Ce saut provoque une scission du noyau, grâce à laquelle il est possible de détecter directement l'atome d'hélium pionique. (Image: Diagramme (Un diagramme est une représentation visuelle simplifiée et structurée des concepts, des idées,...) de la collaboration ASACUSA du CERN)

Remplacez un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) d'un atome par une particule lourde de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) négative, et vous obtenez ce qu'on appelle un atome exotique. De tels atomes ont généralement une durée de vie (La vie est le nom donné :) très courte. Ils constituent un excellent moyen d'étudier les propriétés de la particule qui remplace l'électron dans l'atome et de rechercher des phénomènes de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) non prédits par le Modèle standard.

"Les mesures spectroscopiques des atomes exotiques contenant des mésons pourraient être utilisées pour déterminer avec une grande précision la masse et les autres propriétés de ces mésons, et également pour fixer des limites sur d'éventuelles nouvelles forces agissant sur les mésons, explique Masaki Hori, co-porte-parole d'ASACUSA. Pour le méson utilisé dans cette étude, qui est l'un des mésons les plus légers, nous pourrions être en mesure ultérieurement de déterminer sa masse avec une précision supérieure au cent millionième. La précision serait ainsi 100 fois supérieure à ce qui a été obtenu jusqu'à présent, et cela permettrait de réaliser une comparaison précise avec la prédiction du Modèle standard."

Le nouvel atome étudié par l'expérience consiste en un noyau d'un isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique...) de l'hélium (hélium-4), un électron et un pion de charge négative à un niveau d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) plus élevé. Sa durée de vie est plus de mille fois supérieure à celle d'aucun autre atome contenant un pion. Pour réaliser ces atomes, l'équipe a utilisé des pions de charge négative fournis par le cyclotron (Le cyclotron est un type d’accélérateur circulaire inventé par Ernest Orlando Lawrence en...) de 590 MeV du PSI (Pour les articles homonymes, voir Psi et Psy.), qui est la source la plus intensive de ces pions au monde (Le mot monde peut désigner :), et les a focalisés, au moyen d'un aimant (Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le...), sur une cible contenant de l'hélium superfluide (La superfluidité est un état quantique de la matière qui a été découvert pour la première...) (les superfluides sont des fluides dont l'écoulement se fait sans résistance aucune). La cible, de même que l'aimant, ont été réalisés au CERN et acheminés au PSI pour cette étude.

Ensuite, pour confirmer que les atomes ont bien été créés, et pour étudier la façon dont ils absorbent la lumière et résonnent avec celle-ci, l'équipe a envoyé sur la cible une lumière laser, à différentes fréquences, en recherchant des cas où les pions effectuent un saut quantique entre les différents niveaux d'énergie des atomes qui les contiennent.


Dispositif expérimental pour synthétiser des atomes d'hélium pioniques à l'Institut Paul Scherrer (Image: Masaki Hori / Collaboration ASACUSA)

Procédant par tâtonnements à différentes fréquences laser, l'équipe a été en mesure d'identifier un saut spécifique. Ce saut devait produire l'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise...) du pion par le noyau d'hélium, ce dernier se décomposant alors en un proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire...), un neutron (Le neutron est une particule subatomique de charge électrique totale nulle.) et une particule composite faite d'un proton et d'un neutron. Les scientifiques ont détecté ces fragments au moyen d'une batterie de détecteurs de particules également réalisés au CERN et acheminés au PSI, confirmant ainsi que les pions avaient effectivement réalisé ce saut.

La prochaine étape pour les scientifiques sera d'améliorer la précision avec laquelle ce saut a été identifiée et de rechercher d'autre sauts, qui pourraient être utilisés pour mesurer la masse des pions et mettre à l'épreuve le Modèle standard.
Cet article vous a plu ? Vous souhaitez nous soutenir ? Partagez-le sur les réseaux sociaux avec vos amis et/ou commentez-le, ceci nous encouragera à publier davantage de sujets similaires !
Page générée en 0.081 seconde(s) - site hébergé chez Contabo
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - A propos - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique