Dans un article publié aujourd'hui dans la revue La nature , la collaboration ALPHA rapporte la toute première mesure du spectre optique d'un atome d'antimatière. Cette réalisation comprend des développements technologiques qui ouvrent une ère complètement nouvelle dans la recherche de haute précision sur l'antimatière. C'est le résultat de plus de 20 ans de travail de la communauté antimatière du CERN.

"Utiliser un laser pour observer une transition dans l'antihydrogène et le comparer à l'hydrogène pour voir s'ils obéissent aux mêmes lois de la physique a toujours été un objectif clé de la recherche sur l'antimatière, " a déclaré Jeffrey Hangst, Porte-parole de la collaboration ALPHA.

Les atomes sont constitués d'électrons en orbite autour d'un noyau. Lorsque les électrons se déplacent d'une orbite à une autre, ils absorbent ou émettent de la lumière à des longueurs d'onde spécifiques, formant le spectre de l'atome. Chaque élément a un spectre unique. Par conséquent, la spectroscopie est un outil couramment utilisé dans de nombreux domaines de la physique, astronomie et chimie. Il permet de caractériser les atomes et les molécules et leurs états internes. Par exemple, en astrophysique, l'analyse du spectre lumineux des étoiles lointaines permet aux scientifiques de déterminer leur composition.

Avec son seul proton et son seul électron, l'hydrogène est le plus abondant, atome simple et bien compris dans l'Univers. Son spectre a été mesuré avec une très grande précision. Atomes d'antihydrogène, d'autre part sont mal compris. Parce que l'univers semble être entièrement composé de matière, les constituants des atomes d'antihydrogène – antiprotons et positons – doivent être produits et assemblés en atomes avant que le spectre de l'antihydrogène puisse être mesuré. C'est un processus laborieux, mais cela en vaut la peine puisque toute différence mesurable entre les spectres de l'hydrogène et de l'antihydrogène briserait les principes de base de la physique et aiderait peut-être à comprendre l'énigme du déséquilibre matière-antimatière dans l'univers.

Le résultat ALPHA d'aujourd'hui est la première observation d'une raie spectrale dans un atome d'antihydrogène, permettant de comparer pour la première fois le spectre lumineux de la matière et de l'antimatière. Dans les limites expérimentales, le résultat ne montre aucune différence par rapport à la raie spectrale équivalente dans l'hydrogène. Ceci est cohérent avec le modèle standard de la physique des particules, la théorie qui décrit le mieux les particules et les forces à l'œuvre entre elles, qui prédit que l'hydrogène et l'antihydrogène devraient avoir des caractéristiques spectroscopiques identiques.

La collaboration ALPHA prévoit d'améliorer la précision de ses mesures à l'avenir. La mesure du spectre de l'antihydrogène avec une haute précision offre un nouvel outil extraordinaire pour tester si la matière se comporte différemment de l'antimatière et ainsi tester davantage la robustesse du modèle standard.

ALPHA est une expérience unique à l'installation du décélérateur d'antiprotons du CERN, capable de produire des atomes d'antihydrogène et de les maintenir dans un piège magnétique spécialement conçu, manipuler les antiatomes quelques-uns à la fois. Le piégeage des atomes d'antihydrogène permet de les étudier à l'aide de lasers ou d'autres sources de rayonnement.

« Déplacer et piéger des antiprotons ou des positons est facile car ce sont des particules chargées, " dit Hangst. " Mais quand vous combinez les deux, vous obtenez de l'antihydrogène neutre, ce qui est beaucoup plus difficile à piéger, nous avons donc conçu un piège magnétique très spécial qui repose sur le fait que l'antihydrogène est un peu magnétique."

L'antihydrogène est fabriqué en mélangeant des plasmas d'environ 90, 000 antiprotons du Décélérateur d'Antiprotons avec des positons, résultant en la production d'environ 25, 000 atomes d'antihydrogène par tentative. Les atomes d'antihydrogène peuvent être piégés s'ils se déplacent assez lentement lorsqu'ils sont créés. En utilisant une nouvelle technique dans laquelle la collaboration empile les anti-atomes résultant de deux cycles de mélange successifs, il est possible de piéger en moyenne 14 anti-atomes par essai, comparé à seulement 1,2 avec les méthodes précédentes. En éclairant les atomes piégés avec un faisceau laser à une fréquence réglée avec précision, les scientifiques peuvent observer l'interaction du faisceau avec les états internes de l'antihydrogène. La mesure a été effectuée en observant la transition dite 1S-2S. L'état 2S dans l'hydrogène atomique est de longue durée de vie, conduisant à une largeur de ligne naturelle étroite, il est donc particulièrement adapté à la mesure de précision.

Le résultat actuel, ainsi que des limites récentes sur le rapport de la masse antiproton-électron établies par la collaboration ASACUSA, et le rapport charge/masse des antiprotons déterminés par la collaboration BASE, démontrer que les tests de symétries fondamentales avec l'antimatière au CERN mûrissent rapidement.