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Une impression d’artiste d’un atome d’antihydrogène – un antiproton chargé négativement en orbite autour d’un anti-électron, ou positron, chargé positivement – piégé par des champs magnétiques. (Graphic by Katie Bertsche) (Cliquez sur l’image pour obtenir la meilleure résolution.)
Des atomes d’antimatière ont été piégés et stockés pour la première fois par la collaboration ALPHA, une équipe internationale de scientifiques travaillant au CERN, l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire, près de Genève, en Suisse. Des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory du Département américain de l’énergie et de l’Université de Californie à Berkeley ont apporté des contributions essentielles à l’effort international en cours.
ALPHA a stocké des atomes d’antihydrogène, composé d’un seul antiproton chargé négativement en orbite autour d’un seul antiélectron chargé positivement (positron). Bien que le nombre d’anti-atomes piégés soit bien trop faible pour alimenter le réacteur matière-antimatière du vaisseau Enterprise, cette avancée rapproche le jour où les scientifiques pourront effectuer des tests de précision des symétries fondamentales de la nature. Les mesures des anti-atomes pourraient révéler comment la physique de l’antimatière diffère de celle de la matière ordinaire qui domine le monde que nous connaissons aujourd’hui.
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De grandes quantités d’atomes d’antihydrogène ont été fabriquées pour la première fois au CERN il y a huit ans par deux autres équipes. Bien qu’ils aient fabriqué de l’antimatière, ils n’ont pas pu la stocker, car les anti-atomes ont touché les parois de matière ordinaire des expériences quelques millionièmes de seconde après leur formation et ont été instantanément annihilés – complètement détruits par conversion en énergie et autres particules.
« Le piégeage de l’antihydrogène s’est avéré beaucoup plus difficile que la création d’antihydrogène », explique Joel Fajans, membre de l’équipe ALPHA, un scientifique de la division de recherche sur les accélérateurs et la fusion (AFRD) du Berkeley Lab et professeur de physique à l’UC Berkeley. « ALPHA produit régulièrement des milliers d’atomes d’antihydrogène en une seconde, mais la plupart sont trop « chauds » – trop énergétiques – pour être retenus dans le piège. Nous devons être chanceux pour en attraper un. »
La collaboration ALPHA a réussi en utilisant une bouteille magnétique spécialement conçue, appelée piège à champ magnétique minimal. Le composant principal est un aimant octupolaire (huit pôles magnétiques) dont les champs maintiennent les anti-atomes éloignés des parois du piège et les empêchent ainsi de s’annihiler. Fajans et ses collègues de l’AFRD et de l’UC ont proposé, conçu et testé l’aimant octupolaire, qui a été fabriqué à Brookhaven. Jonathan Wurtele, membre de l’équipe ALPHA de l’AFRD, également professeur de physique à l’UC Berkeley, a dirigé une équipe de membres du personnel du Berkeley Lab et de scientifiques invités qui ont utilisé des simulations informatiques pour vérifier les avantages du piège octupolaire.
Dans un prochain numéro de Nature maintenant en ligne, l’équipe ALPHA rapporte les résultats de 335 essais expérimentaux, chacun durant une seconde, au cours desquels les anti-atomes ont été créés et stockés. Les essais ont été répétés à des intervalles jamais inférieurs à 15 minutes. Pour former de l’antihydrogène pendant ces sessions, des antiprotons ont été mélangés à des positrons à l’intérieur du piège. Dès que l’aimant du piège était « éteint », les anti-atomes piégés étaient libérés et leur annihilation ultérieure était enregistrée par des détecteurs au silicium. Les chercheurs ont ainsi enregistré 38 anti-atomes d’hydrogène, qui avaient été maintenus dans le piège pendant près de deux dixièmes de seconde.
Les positions des 38 annihilations d’anti-atomes réels (cercles et triangles) correspondent à la distribution prédite de l’antihydrogène (points gris dans le panneau supérieur) mais pas à la distribution simulée des antiprotons nus (points colorés dans le panneau inférieur). Les antiprotons nus chargés seraient dirigés vers différents groupes par différents champs électriques (biais rouge à droite, biais bleu à gauche, vert sans biais), mais les anti-atomes étant neutres, leur distribution n’est pas affectée. (L’étoile violette est un positron énergétique.) (Cliquez sur l’image pour obtenir la meilleure résolution.)
« La preuve que nous avons piégé de l’antihydrogène repose sur l’établissement que notre signal n’est pas dû à un bruit de fond », déclare Fajans. Alors que bien plus de 38 atomes d’antihydrogène sont susceptibles d’avoir été capturés au cours des 335 essais, les chercheurs ont pris soin de confirmer que chaque événement candidat était en fait une annihilation d’antiatomes et n’était pas le passage d’un rayon cosmique ou, plus difficile à exclure, l’annihilation d’un antiproton nu.
Pour discriminer les événements réels et le bruit de fond, l’équipe ALPHA a utilisé des simulations informatiques basées sur des calculs théoriques pour montrer comment les événements du bruit de fond seraient distribués dans le détecteur par rapport à la façon dont les annihilations réelles d’antihydrogène apparaîtraient. Fajans et Francis Robicheaux de l’Université d’Auburn ont contribué à des simulations de la façon dont les antiprotons piégés en miroir (ceux confinés par les bobines d’aimant autour des extrémités de l’aimant octupolaire) pourraient imiter les annihilations d’anti-atomes, et comment l’antihydrogène réel se comporterait dans le piège.
Apprendre de l’antimatière
Avant 1928, lorsque les anti-électrons ont été prédits sur des bases théoriques par Paul Dirac, l’existence de l’antimatière était insoupçonnée. En 1932, des antiélectrons (positrons) sont découverts dans des débris de rayons cosmiques par Carl Anderson. Les premiers antiprotons ont été délibérément créés en 1955 au Bevatron de Berkeley Lab, l’accélérateur de particules le plus puissant de l’époque.
Au début, les physiciens ne voyaient pas pourquoi l’antimatière et la matière ne devaient pas se comporter de manière symétrique, c’est-à-dire obéir aux lois de la physique de la même façon. Mais si tel était le cas, des quantités égales de chacune auraient été produites lors du big bang, auquel cas elles auraient dû s’annihiler mutuellement, ne laissant rien derrière elles. Et si, d’une manière ou d’une autre, ce destin était évité, il devrait rester aujourd’hui des quantités égales de matière et d’antimatière, ce qui n’est manifestement pas le cas.
Dans les années 1960, les physiciens ont découvert des particules subatomiques qui se désintégraient d’une manière uniquement possible si la symétrie connue sous le nom de conjugaison des charges et parité (CP) avait été violée dans le processus. Les chercheurs ont alors compris que l’antimatière devait se comporter de manière légèrement différente de la matière ordinaire. Pourtant, même si certaines antiparticules violent la CP, les antiparticules se déplaçant dans le temps devraient obéir aux mêmes lois de la physique que les particules ordinaires se déplaçant dans le temps. La symétrie CPT (T est pour le temps) ne devrait pas être violée.
Une façon de tester cette hypothèse serait de comparer les niveaux d’énergie des électrons ordinaires orbitant autour d’un proton ordinaire aux niveaux d’énergie des positrons orbitant autour d’un antiproton, c’est-à-dire de comparer les spectres des atomes d’hydrogène ordinaire et d’antihydrogène. Tester la symétrie CPT avec des atomes d’antihydrogène est un objectif majeur de l’expérience ALPHA.
Comment fabriquer et stocker l’antihydrogène
Pour fabriquer de l’antihydrogène, les accélérateurs qui alimentent en protons le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN en détournent certains pour fabriquer des antiprotons en les faisant claquer sur une cible métallique ; les antiprotons qui en résultent sont retenus dans l’anneau décélérateur d’antimatière du CERN, qui délivre des grappes d’antiprotons à ALPHA et à une autre expérience sur l’antimatière.
Wurtele explique : « Il est difficile d’attraper des barres p » – le symbole de l’antiproton est une petite lettre p surmontée d’une barre – « parce qu’il faut les refroidir tout du long, de cent millions d’électron-volts à cinquante millionièmes d’électron-volt. »
Dans l’expérience ALPHA, les antiprotons passent à travers une série de barrières physiques, de champs magnétiques et électriques, et de nuages d’électrons froids, pour les refroidir davantage. Enfin, les antiprotons de faible énergie sont introduits dans la région de piégeage d’ALPHA.
Pendant ce temps, des positons de faible énergie, provenant de désintégrations dans une source de sodium radioactif, sont amenés dans le piège depuis l’extrémité opposée. Étant des particules chargées, les positrons et les antiprotons peuvent être maintenus dans des sections séparées du piège par une combinaison de champs électriques et magnétiques – un nuage de positrons dans un « puits ascendant » au centre et les antiprotons dans un « puits descendant » vers les extrémités du piège.
Pour rejoindre les positrons dans leur puits central, les antiprotons doivent être soigneusement poussés par un champ électrique oscillant, qui augmente leur vitesse de manière contrôlée par un phénomène appelé autorésonance.
« C’est comme pousser un enfant sur une balançoire de cour de récréation », explique Fajans, qui attribue à son ancien étudiant diplômé Erik Gilson et à Lazar Friedland, professeur à l’Université hébraïque et visiteur à Berkeley, le développement précoce de la technique. « La hauteur de la balançoire n’a pas autant à voir avec la force avec laquelle vous poussez, le poids de l’enfant ou la longueur des chaînes, mais plutôt avec le timing de vos poussées. »
Les antiprotons et les positrons sont amenés dans le piège ALPHA par des extrémités opposées et y sont maintenus par des champs électriques et magnétiques. Ramenés ensemble, ils forment des anti-atomes neutres en charge mais dotés d’un moment magnétique. Si leur énergie est suffisamment faible, ils peuvent être retenus par l’octupôle et les champs miroirs du piège à champ magnétique minimal. (Cliquez sur l’image pour obtenir la meilleure résolution.)
La nouvelle technique d’autorésonance s’est avérée essentielle pour ajouter précisément de l’énergie aux antiprotons, afin de former des anti-atomes d’énergie relativement faible. Les anti-atomes nouvellement formés sont neutres en charge, mais en raison de leur spin et de la distribution des charges opposées de leurs composants, ils ont un moment magnétique ; à condition que leur énergie soit suffisamment faible, ils peuvent être capturés dans le champ magnétique octupolaire et les champs miroirs du piège à champ magnétique minimal.
Parmi les milliers d’atomes d’antihydrogène fabriqués lors de chaque session de mélange d’une seconde, la plupart sont trop énergétiques pour être retenus et s’annihilent contre les parois du piège.
Libération de l’ALPHA 38
Après le mélange et le piégeage – plus le » nettoyage » des nombreux antiprotons nus qui n’ont pas formé d’antihydrogène – l’aimant supraconducteur qui produit le champ de confinement est brusquement éteint – en seulement neuf millièmes de seconde. Cela provoque la « trempe » de l’aimant, un retour rapide à la conductivité normale qui entraîne un réchauffement et un stress rapides.
« Des quenches de l’ordre de la milliseconde sont presque inédites », déclare Fajans. « Éteindre délibérément un aimant supraconducteur se fait généralement des milliers de fois plus lentement, et pas avec un quench. Nous avons fait beaucoup d’expériences au Berkeley Lab pour nous assurer que l’aimant ALPHA pouvait survivre à plusieurs extinctions rapides. »
Dès le début de l’extinction, les chercheurs ont laissé 30 millièmes de seconde à tout antihydrogène piégé pour s’échapper du piège, ainsi qu’à tout antiproton nu qui pourrait encore s’y trouver. Les rayons cosmiques peuvent également traverser l’expérience pendant cet intervalle. En utilisant des champs électriques pour balayer le piège des particules chargées ou les diriger vers une extrémité des détecteurs ou l’autre, et en comparant les données réelles avec des simulations informatiques d’annihilations d’antihydrogène candidates et d’événements similaires, les chercheurs ont pu identifier sans ambiguïté 38 atomes d’antihydrogène qui avaient survécu dans le piège pendant au moins 172 millisecondes – près de deux dixièmes de seconde.
Dit Fajans, « Notre rapport dans Nature décrit les premiers succès d’ALPHA dans le piégeage des atomes d’antihydrogène, mais nous améliorons constamment le nombre et la durée pendant lesquels nous pouvons les retenir. Nous nous rapprochons du point où nous pourrons réaliser certaines catégories d’expériences sur les atomes d’antimatière. Les premières tentatives seront grossières, mais personne n’a jamais rien fait de tel auparavant. »
« L’antihydrogène piégé », par Gorm Andresen, Mohammad Dehghani Ashkezari, Marcelo Baquero-Ruiz, Will Bertsche, Paul Bowe, Eoin Butler, Claudio Lenz Cesar, Steve Chapman, Michael Charlton, Adam Deller, Stefan Eriksson, Joel Fajans, Tim Friesen, Makoto Fujiwara, Dave Gill, Andrea Gutierrez, Jeffrey Hangst, Walter Hardy, Mike Hayden, Andrew Humphries, Richard Hydomako, Matthew Jenkins, Svante Jonsell, Lars Jørgensen, Leonid Kurchaninov, Niels Madsen, Scott Menary, Paul Nolan, Konstantin Olchanski, Art Olin, Alex Povilus, Petteri Pusa, Francis Robicheaux, Eli Sarid, Sarah Seif el Nasr, Daniel de Miranda Silveira, Chukman So, James Storey, Robert Thompson, Dirk Peter van der Werf, Jonathan Wurtele, et Yasunori Yamazaki, est disponible en publication anticipée en ligne dans Nature. ALPHA est soutenu en partie par la National Science Foundation et l’Office of Science du ministère américain de l’Énergie.
Berkeley Lab est un laboratoire national du ministère américain de l’Énergie géré par l’Université de Californie pour l’Office of Science du DOE. Visitez notre site Web.
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