dimanche 6 novembre 2016

Un atome hybride antiprotonique pour mesurer avec précision la masse de l'antiproton

Un atome d'hélium antiprotonique

La masse de l'antiproton vient d'être mesurée avec une précision accrue, grâce à la production d'un atome d'hélium très particulier : un atome antiprotonique, où un antiproton remplace un électron.




L'expérience ASACUSA (Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons) au CERN est fondée sur la mesure du spectre d'atomes d'hélium antiprotoniques refroidis à 1,5 K. De telles mesures permettent de comparer d'une manière unique la masse d'une antiparticule par rapport à celle de sa compagne miroir. Les chercheurs japonais, qui publie leurs résultats dans la revue Science, ont pour cela produit près de 2 milliards d'atomes d'hélium antiprotoniques, soit 17 femtogrammes.
Le CERN dispose d'une installation unique au monde pour produire des antiprotons, le Antiproton Decelerator, qui délivre des faisceaux d'antiprotons de faible énergie pour différentes expériences. Plusieurs d'entre elles conservent les antiprotons grâce à un jeu complexe de champs magnétiques. La technique de ASACUSA est différente : elle produit une matière hybride en mélangeant matière et antimatière. Les atomes d'hélium ainsi formés sont composés d'un noyau comportant deux protons et deux neutrons et d'un cortège constitué d'un électron et d'un antiproton qui a pris la place du deuxième électron normalement rencontré.
Dans ce mélange gazeux à basse température, environ 3% des antiprotons remplacent un des deux électrons des atomes d'hélium. Ces antiprotons sont chargés négativement et se retrouvent en orbite autour du noyau, protégés par les électrons voisins, ce qui rend l'édifice suffisamment stable pour faire des mesures précises, au moins pour quelques centaines de microsecondes.
Les physiciens envoient alors un faisceau laser sur leur hélium antiprotonique  en faisant varier sa fréquence jusqu'à ce qu'ils arrivent à la fréquence à laquelle les antiprotons font un saut quantique au sein de l'atome hybride. Cette fréquence permet ensuite de calculer la masse relative de l'antiproton par rapport à celle d'un électron. La collaboration ASACUSA avait déjà utilisé cette méthode dans le passé, mais travaillait alors à température ambiante, ce qui induisait une importante source d'incertitude à cause du mouvement microscopique des atomes d'hélium produit par l'agitation thermique. Cette fois-ci, les chercheurs sont parvenus à refroidir à très basse température leur gaz d'hélium hybride et peuvent ainsi atteindre une précision inédite, améliorée d'un facteur 10.


D'après la théorie standard, les protons et les antiprotons doivent avoir exactement la même masse (en valeur absolue...), et les physiciens de ASACUSA ne trouvent effectivement pas de différence, au niveau de précision qu'ils ont atteint. Mais pousser les limites de précision le plus loin possible pour cette comparaison est un test très important, notamment pour tester le principe de la symétrie fondamentale CPT.  Une violation de la symétrie CPT, même infime, aurait une énorme conséquence sur notre conception de l'espace-temps.

La collaboration ASACUSA cherche maintenant à accroître encore sa précision en ajoutant un second faisceau laser d'excitation, avant qu'une nouvelle expérience, nommé ELENA vienne prendre le relais pour faire un nouveau saut de performance dans quelques années.


Source :

Buffer-gas cooling of antiprotonic helium to 1.5 to 1.7 K, and antiproton-to–electron mass ratio
Masaki Hori et al.
Science  Vol. 354, Issue 6312  (04 Nov 2016 )


Illustration :

Vue d'artiste d'un atome d'hélium antiprotonique (Collaboration ASACUSA)