La collaboration ALPHA au CERN a rapporté les premières mesures de certains effets quantiques dans la structure énergétique de l'antihydrogène, la contrepartie antimatière de l'hydrogène. Ces effets quantiques sont connus pour exister dans la matière, et leur étude pourrait révéler des différences encore non observées entre le comportement de la matière et de l'antimatière. Les résultats, décrit dans un article publié aujourd'hui dans la revue La nature , montrent que ces premières mesures sont cohérentes avec les prédictions théoriques des effets dans l'hydrogène « normal », et ouvrir la voie à des mesures plus précises de ces grandeurs et d'autres grandeurs fondamentales.

"Trouver une différence entre ces deux formes de matière ébranlerait les fondements du modèle standard de la physique des particules, et ces nouvelles mesures sondent les aspects de l'interaction de l'antimatière, tels que le décalage de Lamb, que nous attendons depuis longtemps avec impatience d'aborder, " dit Jeffrey Hangst, porte-parole de l'expérience ALPHA.

« Le prochain sur notre liste est le refroidissement de grands échantillons d'antihydrogène à l'aide de techniques de refroidissement laser de pointe. Ces techniques transformeront les études sur l'antimatière et permettront des comparaisons d'une précision sans précédent entre la matière et l'antimatière. »

L'équipe ALPHA crée des atomes d'antihydrogène en liant des antiprotons délivrés par le décélérateur d'antiprotons du CERN avec des antiélectrons, plus communément appelés « positrons ». Il les confine ensuite dans un piège magnétique sous ultra-vide, ce qui les empêche d'entrer en contact avec la matière et de s'anéantir. La lumière laser est ensuite projetée sur les atomes piégés pour mesurer leur réponse spectrale. Cette technique permet de mesurer des effets quantiques connus comme la structure dite fine et le décalage de Lamb, qui correspondent à de minuscules dédoublements dans certains niveaux d'énergie de l'atome, et ont été mesurés dans cette étude dans l'atome d'antihydrogène pour la première fois. L'équipe a précédemment utilisé cette approche pour mesurer d'autres effets quantiques dans l'antihydrogène, la dernière étant une mesure de la transition Lyman-alpha.

La structure fine a été mesurée dans l'hydrogène atomique il y a plus d'un siècle, et a jeté les bases de l'introduction d'une constante fondamentale de la nature qui décrit la force de l'interaction électromagnétique entre les particules chargées élémentaires. Le décalage de Lamb a été découvert dans le même système il y a environ 70 ans et a été un élément clé dans le développement de l'électrodynamique quantique, la théorie de la façon dont la matière et la lumière interagissent.

La mesure Lamb-shift, qui a valu à Willis Lamb le prix Nobel de physique en 1955, a été rapporté en 1947 lors de la célèbre conférence de Shelter Island, la première occasion importante pour les dirigeants de la communauté des physiciens américains de se réunir après la guerre.

Note technique

La structure fine et le décalage de Lamb sont tous deux de petites divisions dans certains niveaux d'énergie (ou raies spectrales) d'un atome, qui peut être étudié par spectroscopie. La division en structure fine du deuxième niveau d'énergie de l'hydrogène est une séparation entre ce qu'on appelle le 2P 3/2 et 2P 1/2 niveaux en l'absence de champ magnétique. La division est causée par l'interaction entre la vitesse de l'électron de l'atome et sa rotation intrinsèque (quantique). Le "classique" Lamb shift est le fractionnement entre les 2S 1/2 et 2P 1/2 niveaux, également en l'absence de champ magnétique. C'est le résultat de l'effet sur l'électron des fluctuations quantiques associées aux photons virtuels qui apparaissent et disparaissent dans le vide.

Dans leur nouvelle étude, l'équipe ALPHA a déterminé la division de la structure fine et le décalage de Lamb en induisant et en étudiant les transitions entre le niveau d'énergie le plus bas de l'antihydrogène et le 2P 3/2 et 2P 1/2 niveaux en présence d'un champ magnétique de 1 Tesla. En utilisant la valeur de la fréquence d'une transition qu'ils avaient précédemment mesurée, la transition 1S-2S, et en supposant que certaines interactions quantiques étaient valables pour l'antihydrogène, les chercheurs ont déduit de leurs résultats les valeurs de la division de la structure fine et du décalage de Lamb. Ils ont constaté que les valeurs inférées sont cohérentes avec les prédictions théoriques des scissions dans l'hydrogène "normal", dans les limites de l'incertitude expérimentale de 2% pour le fractionnement de la structure fine et de 11% pour le décalage de Lamb.