Connaissance de l'antimatière: la science progresse pas à pas

La collaboration CERN ALPHA a révélé une similitude supplémentaire entre la substance commune et son double anticorps antagoniste. C'est une réalisation technique et une nouvelle étape dans notre connaissance des lois fondamentales de l'univers, motivée par la question constante de la physique moderne: "Pourquoi la matière ordinaire a-t-elle survécu?".

Préparer et tenir l'antimatière pour mesurer ses propriétés

La mesure publiée par ALPHA est un peu une tournée. Bien qu'il n'y ait aucun problème à trouver de l'hydrogène dans la nature, vous devez d'abord le faire et réussir à capturer l'antigène.

Ce n'est qu'en 1996 que les premiers atomes anti-hydrogène du CERN ont été créés – le premier de l'histoire de l'univers! En fait, après le Big Bang, l'anti-hydrogène n'aurait pas eu le temps de se former selon le modèle cosmologique actuel: le Big Bang aurait créé autant de particules de matière que l'antimatière, mais les quarks et antiquarks (qui constituent la matière et l'antimatière) auraient été détruits avant la formation des antiprotons aurait pu former un anti-hydrogène. Un minuscule vestige des quarks "ordinaires" qui ont survécu à cette grande destruction serait vraiment la source de toute la matière visible dans l'univers.

Atome d'hydrogène et son double antimatière: anti-hydrogène. Les cercles rouges et verts représentent graphiquement les niveaux d'énergie des électrons et des antielectrons – ce sont les niveaux que l'expérience ALPHA a testés en détail.
Yves Sacquin, Auteur édité par

Pour étudier ce nouvel atome, un grand instrument, le "Antiproton Decelerator", a été spécialement construit au CERN pour produire et retarder les antiprotons (un anti-accélérateur, appelé retardateur), afin qu'ils puissent être piégés (c'est-à-dire, eux et créer anti-hydrogène. En 2010, le partenariat ALPHA a réussi à créer son premier anti-hydrogène et à les maintenir pendant plus de 1000 secondes.

L'étape suivante consistait à étudier en détail les niveaux d'énergie de l'anti-électron dans l'anti-hydrogène, et en particulier les sous-niveaux résultant des effets relativistes et autres subtils encore associés aux "roues" (ou moments magnétiques de l'anti-électron et de l'anti-proton).

Anecdote au passage: Pour étudier la structure électronique de cet anti-hydrogène, ALPHA a dû construire un nouveau piège. En fait, le premier n'a pas laissé le laser utilisé pour exciter les atomes à travers la lumière. Le nouveau piège devait comprendre des trous transparents pour la lumière laser. Grâce à un prix de la Fondation Carlsberg au Danemark, un nouveau piège a été construit. Quand la soif fait la promotion de la science!

Vue d'une partie de l'expérience ALPHA2 au CERN.
CERN

Le résultat a été publié nature Février 2020 détaille les mesures prises en 2017-2018 et les longues analyses nécessaires pour arriver à la publication. Le laser, qui a une longueur d'onde ultraviolette équivalente à la transition entre les deux premiers niveaux d'hydrogène, a été construit pour exciter les électrons antigéniques de l'antigène. En faisant varier la fréquence du laser par petits incréments (4 millionièmes de fréquence), les physiciens ont pu observer la réaction des antivrices: lorsqu'elles sont excitées, la moitié d'entre elles disparaissent car en coupant l'alimentation, elles ont l'une des deux façons d'être en mode "anti-adhérent". Vous devez d'abord stocker environ 2000 atomes d'antia, ce qui prend plusieurs heures pour maintenir l'approvisionnement en antiprotons; puis on observe en changeant la fréquence du laser combien de dévastations chaque phase a, et on recommence en focalisant l'atome sur un autre niveau inférieur.

Par la suite, l'analyse doit rechercher toutes les incertitudes, notamment l'énergie exacte des photons laser, mais aussi les sources du champ magnétique de saisie ou les méthodes statistiques utilisées. Une fraction du chauffage d'un appareil de stockage suffit pour falsifier une mesure si on l'ignore …

Le résultat est clair: l'anti-hydrogène est aussi sensible à la "paroi quantique" que l'hydrogène ordinaire.

Antimatière et vide quantique: au cœur de l'expérience ALPHA

Dans l'atome le plus simple, l'hydrogène, qui se compose d'un proton et d'un électron, l'électron se trouve à différents "niveaux" d'énergie (équivalent à son énergie de liaison); mais en raison des effets secondaires, il existe différents sous-niveaux, dont le plus fin a un effet très faible sur l'interférence entre le vide quantique et les particules électroniques et les anti-particules virtuelles, appelées Lamb Shift (pour les physiciens).

Il était prévu que cette déviation de l'agneau se produise également dans l'antihydrogène. Cela est vraiment prédit par la théorie de l'électrodynamique quantique, l'une des théories les plus précises dont nous disposons pour décrire l'univers et ses forces de base. Par exemple, certains des paramètres mesurés sont conformes aux prévisions de plus de 15 dans cette théoriee décimales! Par conséquent, l'expérience ALPHA confirme cette prédiction. Ouf, la théorie de l'électrodynamique quantique ne fait pas de distinction entre matière et antimatière … d'un autre côté, elle rend encore plus brûlante la question asymétrique que nous trouvons chaque jour entre matière et antimatière.

Matière, antimatière: d'où vient l'asymétrie fondamentale de l'univers?

Le résultat confirme que le vide quantique affecte également les particules d'antimatière. Ce n'est pas de la physique révolutionnaire car ce résultat était attendu … mais cela confirme que la nature suit une symétrie profonde dans ce cas, bien que l'un des grands problèmes de la cosmologie actuelle soit qu'elle présente une asymétrie complète dans l'univers de la matière et de l'antimatière: comment cette petite matière a donné naissance à l'univers, formé? Une façon consiste à savoir si l'une des forces de base pourrait expliquer cette asymétrie sans succès jusqu'à présent, et l'ALPHA a encore une fois restreint cette voie. L'hypothèse demeure que l'antimatière existe sans pouvoir la détecter, mais comment le prouver?

Le deuxième point concerne les progrès de la recherche fondamentale. En fait, cet article peut sembler inapproprié pendant l'épidémie actuelle dont nous souffrons. Mais comment lutter contre ce fléau sans le travail fondamental des fondateurs de la biologie, Pasteur ou Koch dans le premier. On peut parier que les informations sur l'antimatière ont des applications inévitables depuis plusieurs siècles: cela a déjà commencé avec l'imagerie médicale avec la tomographie par émission de positons. Et il ne faut pas oublier que l'accès à Internet, si important cette saison, est un sous-produit de la recherche fondamentale au CERN.

Le résultat présenté dans cet article est le résultat de la lente progression de l'information sur l'antimatière, qui a commencé en 1930 avec Dirac et Anderson. Les résultats arrivent souvent lentement, mais une fois acquis, ils fournissent la base pour aller de l'avant. Le soutien à la recherche fondamentale doit être continu, chaque interruption prenant dix fois plus de temps. Il s'agit d'un programme ambitieux et depuis plus de 20 ans, le CERN – et donc les États européens – soutient la recherche sur cette antimatière.

Le nouveau pneu de décélération a commencé à fonctionner en 2018 et sera opérationnel en 2021, les usines du CERN continueront de fonctionner après une suspension de deux ans pour permettre des améliorations significatives tout au long de la chaîne d'accélérateurs et de ralentisseurs. . Les tests anti-hydrogène se tournent désormais vers une autre caractéristique qui n'a jamais été mesurée: sa gravité. Encore une fois, le désir de vérifier si tout va bien ainsi que le matériel. Les enjeux sont à nouveau cosmologiques. Toute différence, même minime, nous obligerait à revoir la théorie actuelle de la relativité générale, juste cela!

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