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 diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une...) exotique, prédit par 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...) mais jamais vérifié expérimentalement, et a réalisé les premières mesures de la façon dont cet atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un...) absorbe 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...) 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 non élémentaire) composée d'un nombre pair de quarks et d'antiquarks.), 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) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain « light amplification by...) à une 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...) de résonance (Lorsqu'on abandonne un système stable préalablement écarté de sa position d'équilibre, il y retourne, généralement à travers des oscillations...) 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 autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) 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, des constructions, des relations, des données statistiques, de l'anatomie etc. employé dans tous les aspects des activités...) de la collaboration ASACUSA du CERN)

Remplacez 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.) d'un atome par une particule lourde de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à...) 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 « science de la nature ». Dans un sens général et...) 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 nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même...) 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 chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) 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 1931. Dans un cyclotron, les particules placées dans un champ magnétique suivent une trajectoire en forme de spirale et sont...) 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 champ rémanent et l'excitation coercitive sont grands (voir ci-dessous). Cela lui donne des propriétés particulières comme d'exercer une...), sur une cible contenant de l'hélium superfluide (La superfluidité est un état quantique de la matière qui a été découvert pour la première fois en 1937 par Pyotr Leonidovitch Kapitsa, simultanément avec, semble-t-il, John F. Allen et A. Don Misener, avec...) (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 par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux...) 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 positive.), un neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les neutrons, avec les protons, sont les...) 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.
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