Dans le cadre de leurs recherches sur l’antimatière, des chercheurs du CERN ont mis en évidence le comportement atypique et inattendu d’un atome hybride, constitué à la fois de matière et d’antimatière, lorsqu’il est plongé dans de l’hélium superfluide (à une température proche du zéro absolu). Les résultats de cette expérience ouvrent la voie à une nouvelle façon de mesurer la masse des antiparticules, avec une précision sans précédent.
Selon le modèle standard de la physique des particules, la matière et l’antimatière diffèrent uniquement par la charge électrique de leurs particules. Par exemple, proton et antiproton portent une charge opposée, mais demeurent identiques en tous autres points. Les expériences passées confirment a priori cette théorie. Cela dit, il se pourrait que les méthodes expérimentales utilisées jusqu’à présent ne soient pas assez sensibles pour détecter les infimes différences qui pourraient exister entre les particules et leurs antiparticules. Les scientifiques tentent ainsi de mettre au point des techniques de mesure toujours plus précises.
Ceci est particulièrement délicat, car les échantillons d’antimatière ne doivent pas entrer en contact avec la matière environnante, sous peine de s’annihiler immédiatement. « Des atomes d’antimatière ont été mis en lévitation magnétique dans des chambres à vide pour des mesures spectroscopiques. D’autres expériences ont confiné des antiprotons dans des pièges à ions constitués de champs électriques et magnétiques », explique Masaki Hori, physicien à l’Institut Max Planck d’optique quantique, qui utilise la spectroscopie pour étudier l’antimatière. Son équipe et lui ont réussi à combiner matière et antimatière en un même atome d’hélium, afin d’augmenter la précision des mesures. Mais leur récente découverte pourrait offrir encore bien plus de possibilités.
Un antiproton plus stable dans l’hélium superfluide
La création d’atomes hybrides est au cœur de l’expérience ASACUSA du CERN, qui vise à étudier les différences fondamentales entre matière et antimatière. L’hélium antiprotonique dont il est question ici a été créé en remplaçant l’un des électrons de l’atome d’hélium par un antiproton (qui est aussi chargé négativement) ; ceci a été réalisé grâce au décélérateur d’antimatière du CERN, qui projette des faisceaux d’antiprotons ralentis dans de l’hélium gazeux froid. La plupart des antiprotons s’annihilent rapidement au contact de la matière environnante, mais un petit nombre d’entre eux se combinent avec l’hélium pour former des atomes hybrides. La masse de l’antiproton est ensuite mesurée grâce par spectroscopie laser, à un niveau de précision jamais atteint.
Lorsque des atomes sont placés dans un liquide, leurs raies spectrales optiques — qui correspondent aux transitions électroniques — sont fortement élargies par rapport à celles d’atomes isolés, du fait des interactions intenses qui existent entre les molécules du liquide. Cette augmentation peut atteindre un facteur de plus d’un million, ce qui nuit largement aux analyses de spectroscopie à haute résolution. Ceci se produit même dans de l’hélium superfluide, qui est pourtant le liquide le plus transparent, le plus froid et le plus inerte chimiquement. Or, la position exacte de la raie de résonance sur l’échelle des fréquences, de même que sa forme, permettent de déduire les propriétés de l’atome étudié.
L’équipe de l’expérience ASACUSA, dirigée par Masaki Hori, a entrepris d’observer comment se comportait un atome hybride lorsqu’il était immergé lui aussi dans de l’hélium superfluide. Pour ce faire, ils ont mélangé les antiprotons du décélérateur avec de l’hélium liquide refroidi à une température proche du zéro absolu (-273 °C). Ils ont constaté que sa raie spectrale conservait une largeur inférieure au gigahertz. Contre toute attente, la structure est restée stable suffisamment longtemps pour être étudiée par spectroscopie : protégé par la couche électronique de l’atome d’hélium, l’antiproton n’est pas immédiatement détruit.
Une approche applicable à d’autres particules exotiques
Pour parvenir à ce résultat, l’équipe a examiné par spectroscopie les atomes d’hélium hybrides à différentes températures. Dès que la température descendait en dessous de la température critique de 2,2 Kelvin (soit -270,95 °C) à laquelle l’hélium entre dans un état superfluide, les raies spectrales de l’antiproton devenaient plus étroites. Rappelons au passage que la superfluidité décrit un état de la matière dans lequel celle-ci se comporte comme un fluide dépourvu de toute viscosité. « Nous ne savons pas encore comment le changement frappant des raies spectrales de l’antiproton se produit dans un tel environnement et ce qui se passe physiquement dans le processus. Nous en avons été surpris nous-mêmes », reconnaît Hori.
Si le phénomène reste à éclaircir, il ouvre la voie à de nouvelles possibilités de mesure. Le rétrécissement des raies spectrales est tel que la structure hyperfine — définie par les infimes changements et les divisions des niveaux d’énergie de l’atome — peut être résolue. « Cela a permis de résoudre la structure hyperfine résultant de l’interaction spin-spin entre l’électron et l’antiproton avec une résolution spectrale relative de deux parties sur 106, même si l’hélium antiprotonique résidait dans une matrice dense d’atomes de matière normale », soulignent les chercheurs dans Nature.
Concrètement, cela implique que d’autres atomes d’hélium hybrides, composés de diverses autres particules d’antimatière, pourraient être créés de la même façon dans l’hélium superfluide, pour être étudiés par spectroscopie laser avec une haute résolution spectrale. Les scientifiques pourraient ainsi déterminer avec précision les masses de ces particules.
Les lignes spectrales nettes pourraient également être utiles pour détecter les antiprotons et les antideutérons dans le rayonnement cosmique. « Les détecteurs à hélium superfluide pourraient servir de support à de futures expériences et être adaptés à la capture et à l’analyse des antiparticules depuis l’espace », explique Hori. De nombreux défis techniques doivent toutefois être relevés avant que ces méthodes ne viennent compléter les méthodes existantes, note le physicien.
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
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