Les scientifiques de la collaboration BASE, dirigé par les scientifiques du RIKEN, ont développé une nouvelle méthode de refroidissement qui permettra de mesurer plus facilement une propriété des protons et des antiprotons appelée le moment magnétique. C'est l'une des propriétés qui est étudiée pour résoudre le mystère de pourquoi notre univers contient de la matière mais presque pas d'antimatière.

Notre univers devrait, sous le modèle standard, ont des quantités égales de matière et d'antimatière, mais en réalité non. Pour savoir pourquoi, des scientifiques du monde entier tentent de découvrir de minuscules différences entre les deux qui pourraient résoudre le mystère. Une piste prometteuse est d'explorer s'il existe des différences dans le moment magnétique du proton et de l'antiproton, et l'expérience BASE, basé au CERN, essaie de le déterminer. À l'aide d'un appareil sophistiqué, un piège de Penning capable de capturer et de détecter une seule particule, l'équipe BASE a réussi dans le passé à améliorer la précision des mesures des moments magnétiques des protons et des antiprotons d'un facteur trente et de plus de trois ordres de grandeur, respectivement, conduisant à un test de symétrie matière/antimatière au niveau de 1,5 parties par milliard, constatant essentiellement que les aimants dans le proton et l'antiproton sont similaires à neuf chiffres significatifs.

Une difficulté parmi tant d'autres dans la réalisation de telles expériences est que de mesurer les moments magnétiques avec précision, les particules doivent être maintenues à des températures proches du zéro absolu, -273,15 °C. Dans les expériences précédentes, les températures froides ont été préparées en utilisant une technique connue sous le nom de "refroidissement résistif sélectif, " ce qui prend du temps et, selon les chercheurs, "semblable à lancer un dé à 100 faces, essayer de faire un 1."

Pour l'expérience en cours, Publié dans La nature , la collaboration BASE a rapporté la toute première démonstration de "refroidissement sympathique" d'un seul proton en couplant la particule à un nuage d'ions 9Be+ refroidis par laser. Le refroidissement sympathique consiste à utiliser des lasers ou d'autres dispositifs pour refroidir un type de particule, puis en utilisant ces particules pour transférer la chaleur de la particule qu'ils souhaitent refroidir. Avec cette technique, le groupe a refroidi simultanément un mode résonant d'un circuit accordé supraconducteur macroscopique avec des ions refroidis par laser, et a également réalisé le refroidissement sympathique d'un seul proton piégé, atteindre des températures proches du zéro absolu.

La technique décrite dans l'article récent est un premier pas important vers une réduction considérable des faces sur le collecteur de dés, avec la vision de réduire idéalement la surface à une seule. "Nous rapportons une première étape importante, et le développement ultérieur de cette méthode conduira finalement à une expérience de spin-flip idéale, dans lequel un seul proton à basse température sera préparé en quelques secondes seulement. Cela nous permettra de déterminer l'état de spin de la particule en une seule mesure qui prend environ une minute, " dit Christian Smorra, l'un des scientifiques à la tête de l'étude. "C'est considérablement plus rapide que nos précédentes mesures de moment magnétique, et améliorera à la fois les statistiques d'échantillonnage et la résolution de nos études systématiques, " ajoute Matthieu Bohman, un doctorat étudiant à l'Institut Max Planck de physique nucléaire, Heidelberg et le premier auteur de l'étude.

"En outre, la réalisation rapportée a des applications non seulement dans les mesures de moment magnétique proton/antiproton. Il ajoute une nouvelle technologie générale à la boîte à outils de la physique de précision des pièges de Penning, et a également des applications potentielles dans d'autres mesures de moment magnétique nucléaire, des comparaisons ultra-précises des rapports charge/masse dans les pièges de Penning, ou même dans l'amélioration de la production d'antihydrogène, " ajoute Stefan Ulmer, porte-parole de la collaboration BASE et scientifique en chef du Laboratoire de symétries fondamentales RIKEN.

La collaboration BASE opère trois expérimentations, un à l'usine d'antimatière du CERN, un à l'Université de Hanovre, et un à l'Université de Mayence, le laboratoire où la nouvelle méthode a été réellement mise en œuvre. L'étude rapportée est le résultat de la collaboration entre RIKEN, la société allemande Max Planck, les universités de Mayence, Hanovre et Tokyo, l'institut de métrologie allemand PTB, CERN, et GSI Darmstadt. Le travail a été soutenu par le Max Planck, RIKEN, Centre PTB pour le temps, constantes et symétries fondamentales.