Genève, le 19 décembre 2016. Dans un article publié aujourd’hui dans la revue Nature, la collaboration ALPHA rend compte de la première mesure jamais réalisée s’agissant du spectre optique d’un atome d’antimatière. Ce résultat s’appuie sur des innovations technologiques qui ouvrent une ère complètement nouvelle de la recherche de haute précision sur l’antimatière. Il vient couronner plus de 20 ans de recherches menées par la communauté de l’antimatière au CERN¹.  

« Utiliser un laser pour observer une transition dans l’antihydrogène, puis comparer le résultat avec ce qui se passe pour l’hydrogène pour voir si le phénomène obéit aux mêmes lois de la physique a toujours été un axe essentiel de la recherche sur l’antimatière », explique Jeffrey Hangst, porte-parole de la collaboration ALPHA.

Les atomes sont composés d’électrons en orbite autour d’un noyau. Lorsque les électrons transitent d’une orbite à l’autre, ils absorbent ou émettent de la lumière à des longueurs d’onde spécifiques, qui constituent le spectre de l’atome. Chaque élément a un spectre caractéristique qui lui est propre. C’est pourquoi la spectroscopie est un outil communément utilisé dans de nombreux domaines de la physique, de l’astronomie et de la chimie. Le procédé est un moyen de caractériser les atomes et les molécules et leurs états internes. Ainsi, en astrophysique, l’analyse du spectre de lumière des étoiles lointaines permet aux scientifiques de déterminer la composition de celles-ci.

Constitué d’un unique proton et d’un unique électron, l’hydrogène est l’atome le plus abondant, le plus simple et le mieux connu de l’Univers. Son spectre a été mesuré avec une très grande précision. En revanche, les atomes d’antihydrogène sont mal connus. Comme l’Univers semble constitué entièrement de matière, il faut, pour pouvoir mesurer le spectre de l’antihydrogène, commencer par produire les constituants des atomes d’antihydrogène, à savoir les antiprotons et les positons, puis les assembler en atomes. Le processus est fastidieux, mais cet effort vaut la peine d’être entrepris car toute différence mesurable entre les spectres de l’hydrogène et de l’antihydrogène pourrait remettre en cause les principes fondamentaux de la physique, et nous aider à comprendre l’énigme du déséquilibre entre matière et antimatière dans l’Univers.

Le résultat publié par ALPHA aujourd’hui est la première observation d’une raie spectrale dans un atome d’antihydrogène, qui permet de comparer pour la première fois le spectre de lumière de la matière et de l’antimatière. Dans les limites de l’expérience, la conclusion est qu’il n’y a pas de différence par rapport à la raie spectrale équivalente de l’hydrogène. Ce résultat est conforme au Modèle standard de la physique des particules, la théorie qui décrit le mieux les particules et les forces qui s’exercent sur elles. En effet, cette théorie prédit que l’hydrogène et l’antihydrogène doivent avoir des caractéristiques spectroscopiques identiques.

La collaboration ALPHA prévoit d’améliorer la précision de ses mesures dans le futur. La possibilité de mesurer le spectre de l’antihydrogène avec une haute précision est un nouvel outil au potentiel extraordinaire, qui permettra de déterminer si la matière se comporte différemment de l’antimatière, et, par conséquent, de mettre à l’épreuve la validité du Modèle standard.

ALPHA, expérience auprès du Décélérateur d’antiprotons du CERN, est un dispositif unique en son genre, capable de produire des atomes d’antihydrogène et de retenir ceux-ci dans un piège magnétique spécialement conçu à cet effet, en les manipulant par petites quantités. Les atomes d’antihydrogène, une fois piégés, peuvent être étudiés au moyen de lasers ou d’autres sources de rayonnement.

"Il est facile de déplacer et de piéger des antiprotons et des positons, qui sont des particules chargées, explique Jeffrey Hangst. Mais quand vous assemblez les deux, vous obtenez de l’antihydrogène, qui est neutre et beaucoup plus difficile à piéger. C’est pourquoi nous avons inventé un piège magnétique très spécial, qui utilise le fait que l’antihydrogène est légèrement magnétique. »

Pour fabriquer l’antihydrogène, on mélange des plasmas d’environ 90 000 antiprotons, issus du Décélérateur d’antiprotons, avec des positons, ce qui aboutit à la production de quelque 25 000 atomes d’antihydrogène par tentative. Les atomes d’antihydrogène peuvent être piégés s’ils se déplacent suffisamment lentement au moment de leur création.  En utilisant une technique nouvelle, dans laquelle la collaboration empile les antiatomes résultant de deux cycles de mélange successifs, il est possible de piéger en moyenne 14 antiatomes par tentatives, contre 1,2 seulement avec les méthodes utilisées précédemment. En éclairant les atomes piégés au moyen d’un faisceau laser à des fréquences réglées précisément, les scientifiques arrivent à observer l’interaction du faisceau avec les états internes de l’antihydrogène.  En l’occurrence, on a observé la transition dite 1S-2S. L’état 2S dans l’atome d’hydrogène a une durée de vie longue, ce qui correspond à une petite largeur naturelle de la raie spectrale ; il est donc particulièrement adapté aux mesures de précision. 

Le résultat annoncé, associé aux récentes limites sur le rapport de masse antiproton-électron établies par la collaboration ASACUSA et au rapport charge sur masse de l’antiproton déterminé par la collaboration BASE, démontre que les recherches sur les symétries fondamentales dans l’antimatière au CERN progressent rapidement.

Ressources :

Vidéo

Footage disponible ici : https://cds.cern.ch/record/2239283 et https://cds.cern.ch/record/2239263

Photos disponibles ici : http://cds.cern.ch/record/2121303 et https://cds.cern.ch/record/2238961

1. Le CERN, Organisation européenne pour la Recherche nucléaire, est le plus éminent laboratoire de recherche en physique des particules du monde. Il a son siège à Genève. Ses États membres sont les suivants : Allemagne, Autriche, Belgique, Bulgarie, Danemark, Espagne, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Israël, Italie, Norvège, Pays-Bas, Pologne, Portugal, République tchèque, Roumanie, Royaume-Uni, Slovaquie, Suède et Suisse. Chypre et la Serbie sont États membres associés en phase préalable à l’adhésion. Le Pakistan, la Turquie et l'Ukraine sont États membres associés. Les États-Unis d’Amérique, la Fédération de Russie, l’Inde, le Japon, le JINR, l’UNESCO et l’Union européenne ont actuellement le statut d'observateur.