Une expérience du CERN mesure plus précisément la masse de l'antiproton grâce à une technique de refroidissement innovante

Ad,ASACUSA
L’expérience ASACUSA (Image : CERN)

Genève, le 3 novembre 2016. Dans un article paru aujourd’hui dans la revue Science, l’expérience ASACUSA au CERN1 annonce une nouvelle mesure de précision de la masse de l’antiproton par rapport à celle de l'électron. Ce résultat repose sur des mesures spectroscopiques effectuées sur environ deux milliards d'atomes d'hélium antiprotonique refroidis à des températures extrêmement basses, de l'ordre de 1,5 à 1,7 degrés au-dessus du zéro absolu. Dans les atomes d'hélium antiprotonique, un antiproton prend la place de l’un des électrons qui seraient normalement en orbite autour du noyau. Ces mesures offrent un moyen remarquable de comparer avec une grande précision la masse d'une particule d'antimatière avec celle de son équivalent dans la matière. Les deux masses devraient être strictement identiques.

« Un assez grand nombre d'atomes contenant des antiprotons ont été refroidis sous la barre des - 271 degrés Celsius. C'est plutôt étonnant qu'un atome constitué pour moitié d’antimatière puisse être porté à une température si froide en étant simplement placé dans un gaz réfrigéré, à savoir de l’hélium standard », commente Masaki Hori, chef de groupe au sein de la collaboration ASACUSA.

Les particules de matière et d'antimatière sont toujours produites par paires dans les collisions de particules. Une particule et son antiparticule ont la même masse et une charge électrique opposée. Ainsi, le positon, chargé positivement, est un antiélectron, l'antiparticule de l'électron, chargé négativement. Les positons sont observés depuis les années 1930, aussi bien lors des collisions qui ont lieu naturellement avec des rayons cosmiques, que lors des collisions produites dans les accélérateurs de particules. Ils sont utilisés aujourd'hui à l'hôpital dans les scanners TEP. Toutefois, étudier les particules d'antimatière avec précision reste un défi car, lorsque la matière et l’antimatière entrent en contact, elles s’annihilent et disparaissent dans un éclair d’énergie.

Le Décélérateur d'antiprotons du CERN est une installation unique en son genre qui livre aux expériences des faisceaux d'antiprotons de basse énergie pour leur permettre d’étudier l'antimatière. Afin d'effectuer des mesures sur ces antiprotons, plusieurs expériences les piègent pendant de longues périodes au moyen de dispositifs magnétiques. L'approche d'ASACUSA est différente dans la mesure où l'expérience est capable de créer des atomes hybrides très spéciaux faits d'un mélange de matière et d'antimatière : les atomes d'hélium antiprotonique, composés d'un antiproton et d'un électron en orbite autour d'un noyau d'hélium. On les obtient en mélangeant des antiprotons avec de l'hélium gazeux. Dans ce mélange, environ 3% des antiprotons remplacent l'un des deux électrons de l'atome d'hélium. Dans l'hélium antiprotonique, l'antiproton est en orbite autour du noyau d'hélium, protégé par le nuage d'électrons qui entoure l'atome tout entier, rendant l'hélium antiprotonique suffisamment stable pour permettre des mesures de précision.

La mesure de la masse de l'antiproton est réalisée par spectroscopie, par l'envoi d'un faisceau laser sur l'hélium antiprotonique. La fréquence du laser est ensuite ajustée de manière à faire faire aux antiprotons un saut quantique à l'intérieur des atomes. À partir de cette fréquence, il est possible de calculer la masse de l'antiproton par rapport à la masse de l'électron. Cette méthode a été utilisée avec succès précédemment par la collaboration ASACUSA pour mesurer avec une grande précision la masse de l'antiproton. Toutefois, dans les précédentes mesures, le « frétillement » microscopique des atomes d'hélium antiprotonique avait créé une importante source d'incertitude.

La revue Science a fait état du nouveau résultat remarquable obtenu par la collaboration ASACUSA, à savoir le fait qu’elle ait maintenant réussi à refroidir des atomes d'hélium antiprotonique à des températures proches du zéro absolu en les plaçant en suspension dans un gaz de remplissage réfrigéré, de l'hélium. Le frétillement microscopique des atomes est ainsi réduit, ce qui améliore la précision de la mesure de la fréquence. La mesure de la fréquence de transition a été améliorée d'un facteur compris entre 1,4 et 10 par rapport aux expériences précédentes. Des expériences ont été menées entre 2010 et 2014, avec environ deux milliards d'atomes, ce qui correspond à environ 17 femtogrammes d'hélium antiprotonique.

Selon les théories admises, protons et antiprotons sont censés avoir excactement la même masse. À ce jour, aucune différence n'a été trouvée entre leurs masses, mais en comparant celles-ci avec une précision toujours plus grande, on dispose d’un puissant moyen de mettre à l'épreuve des principes théoriques fondamentaux, tels que la symétrie de CPT. Cette symétrie est une conséquence des symétries fondamentales de l'espace-temps, par exemple son isotropie. L'observation d'une brisure même infime de la symétrie CPT remettrait en question nos postulats sur la nature et les propriétés de l'espace-temps.

La collaboration ASACUSA est convaincue qu'elle pourra mesurer avec encore davantage de précision la masse de l'antiproton en utilisant deux faisceaux laser. Dans un futur proche, le lancement de l'installation ELENA au CERN permettra également d’affiner ces mesures.

 

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Footnote(s)

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 le statut d’observateur.

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