AEgIS est l'une des nombreuses expériences menées à l'usine d'antimatière du CERN produisant et étudiant des atomes d'antihydrogène dans le but de tester avec une grande précision si l'antimatière et la matière tombent sur Terre de la même manière.

Dans un article publié aujourd'hui dans Physical Review Letters , la collaboration AEgIS rapporte un exploit expérimental qui non seulement l'aidera à atteindre cet objectif, mais ouvrira également la voie à une toute nouvelle série d'études sur l'antimatière, y compris la perspective de produire un laser à rayons gamma qui permettrait aux chercheurs d'examiner l'intérieur du noyau atomique. noyau et ont des applications au-delà de la physique.

Pour créer de l'antihydrogène (un positron en orbite autour d'un antiproton), AEgIS dirige un faisceau de positronium (un électron en orbite autour d'un positron) dans un nuage d'antiprotons produit et ralenti dans l'usine d'antimatière. Lorsqu'un antiproton et un positronium se rencontrent dans le nuage d'antiprotons, le positronium cède sa position à l'antiproton, formant un antihydrogène.

Produire de l'antihydrogène de cette manière signifie qu'AEgIS peut également étudier le positronium, un système d'antimatière à part entière qui fait l'objet d'expériences dans le monde entier.

Le positronium a une durée de vie très courte, s'annihilant en rayons gamma en 142 milliardièmes de seconde. Cependant, comme il ne comprend que deux particules ponctuelles, l'électron et son homologue antimatière, "c'est un système parfait pour faire des expériences", déclare Ruggero Caravita, porte-parole d'AEgIS, "à condition que, entre autres défis expérimentaux, un échantillon de positronium peut être suffisamment refroidi pour le mesurer avec une grande précision."

C’est l’exploit accompli par l’équipe AEgIS. En appliquant la technique de refroidissement laser à un échantillon de positronium, la collaboration a déjà réussi à réduire de plus de moitié la température de l'échantillon, passant de 380 à 170 degrés Kelvin. Dans le cadre d'expériences de suivi, l'équipe vise à briser la barrière des 10 degrés Kelvin.

Le refroidissement laser du positronium par AEgIS ouvre de nouvelles possibilités pour la recherche sur l'antimatière. Celles-ci incluent des mesures de haute précision des propriétés et du comportement gravitationnel de ce système matière-antimatière exotique mais simple, qui pourraient révéler une nouvelle physique. Il permet également la production d'un condensat de Bose-Einstein de positronium, dans lequel tous les constituants occupent le même état quantique.

Un tel condensat a été proposé comme candidat pour produire une lumière gamma cohérente via l'annihilation matière-antimatière de ses constituants - une lumière de type laser composée d'ondes monochromatiques ayant une différence de phase constante entre elles.

"Un condensat d'antimatière de Bose-Einstein serait un outil incroyable pour la recherche fondamentale et appliquée, surtout s'il permettait de produire une lumière gamma cohérente avec laquelle les chercheurs pourraient scruter le noyau atomique", explique Caravita.

Le refroidissement laser, qui a été appliqué pour la première fois aux atomes d'antimatière il y a environ trois ans, fonctionne en ralentissant les atomes petit à petit avec des photons laser au cours de nombreux cycles d'absorption et d'émission de photons. Cela se fait normalement à l’aide d’un laser à bande étroite, qui émet de la lumière avec une petite plage de fréquences. En revanche, l'équipe AEgIS utilise un laser à large bande dans son étude.

"Un laser à large bande refroidit non seulement une petite mais une grande fraction de l'échantillon de positronium", explique Caravita. "De plus, nous avons réalisé l'expérience sans appliquer de champ électrique ou magnétique externe, simplifiant ainsi la configuration expérimentale et prolongeant la durée de vie du positronium."

La collaboration AEgIS partage ses réalisations en matière de refroidissement laser à positronium avec une équipe indépendante, qui a utilisé une technique différente et a publié ses résultats sur arXiv serveur de préimpression le même jour qu'AEgIS.

Plus d'informations : L. T. Glöggler et al, Refroidissement laser au positronium via la transition 13S−23P avec une impulsion laser à large bande, Physical Review Letters (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.132.083402

K. Shu et al, Refroidissement laser du positronium, arXiv (2023). DOI :10.48550/arxiv.2310.08761

Informations sur le journal : Lettres d'examen physique , arXiv

Fourni par le CERN