Une expérience du CERN réalise une mesure spectroscopique de l'antihydrogène

Genève, 7 mars 2012. Dans un article publié aujourd’hui en ligne par la revue Nature, la collaboration ALPHA au CERN1 a annoncé avoir franchi une nouvelle étape majeure s’agissant de la mesure des propriétés des atomes d'antimatière. Cet article fait suite à l’annonce, en juin de l’année dernière, que la collaboration a réussi à piéger couramment pour une longue durée des atomes d’antihydrogène. La dernière avancée d’ALPHA ouvre la voie à la possibilité de comparer des atomes de matière et des atomes d’antimatière, ce qui pourrait contribuer à démêler l’un des plus grands mystères de la physique des particules et, peut-être, nous permettre de comprendre pourquoi notre Univers de matière existe.

« Nous avons prouvé que nous pouvons sonder la structure interne de l’atome d’antihydrogène, a déclaré Jeffrey Hangst, porte-parole de la collaboration ALPHA. C’est pour nous extrêmement prometteur. Nous savons désormais qu’il est possible de concevoir des expériences permettant de mesurer avec précision des antiatomes. »

Aujourd’hui, l’Univers dans lequel nous vivons semble être composé uniquement de matière. Pourtant, lors du Big Bang, matière et antimatière ont existé en quantités égales. Or l’antimatière semble avoir complètement disparu, et ce mystère amène à la conclusion que la nature a dû avoir une petite préférence pour la matière. S’il est possible d’étudier les atomes d’antihydrogène en détail, comme le laissent penser les derniers résultats d’ALPHA, on disposera d’un outil puissant pour étudier ce choix opéré par la nature.

Les atomes d’hydrogène se composent d’un électron tournant autour d’un noyau. Il est possible d’exciter ces atomes en leur envoyant de la lumière ; leurs électrons passent alors sur une orbite plus haute, puis reviennent à leur état fondamental en émettant de la lumière. Les différentes fréquences de cette lumière émise constituent un spectre qui a été mesuré avec la plus grande précision et qui, dans le monde de la matière, appartient uniquement à l'hydrogène. Selon les principes de base de la physique, l’antihydrogène devrait posséder un spectre identique à celui de l’hydrogène. Le but ultime de la collaboration ALPHA est de mesurer ce spectre.

« L’hydrogène est l'élément le plus présent dans l'Univers et nous avons une très bonne connaissance de sa structure, a expliqué Jeffrey Hangst.  Nous pouvons enfin commencer à obtenir des réponses grâce à l'antihydrogène. L’hydrogène et l’antihydrogène sont-ils différents ?  Nous pouvons affirmer que nous le saurons un jour. »

Dans l’article publié aujourd’hui, la collaboration ALPHA a révélé la toute première, certes modeste, mesure du spectre de l'antihydrogène. Dans le dispositif de l’expérience ALPHA, les atomes d’antihydrogène sont piégés par des champs magnétiques complexes qui agissent sur l'orientation magnétique des atomes d'antihydrogène. En exposant ces atomes à des micro-ondes d’une fréquence précise, les scientifiques modifient l’orientation magnétique des antiatomes, ce qui a pour effet de libérer l'antihydrogène du piège. L’antihydrogène entre alors en contact avec la matière et s’annihile, laissant des traces caractéristiques dans les détecteurs qui entourent le piège.  C’est la preuve qu’il est possible de concevoir des expériences permettant d’agir sur les propriétés internes des atomes d’antihydrogène en les exposant à des micro-ondes.  Dans un futur proche, ALPHA va travailler à l’amélioration de la précision des mesures par micro-ondes, et entreprendre des mesures complémentaires du spectre de l’antihydrogène à l’aide de lasers.

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Note(s)

Le CERN, Organisation européenne pour la recherche nucléaire, est le plus éminent laboratoire de recherche en physique des particules du monde. Il a son siège à Genève. Ses États membres actuels sont les suivants: Allemagne, Autriche, Belgique, Bulgarie, Danemark, Espagne, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Italie, Norvège, Pays-Bas, Pologne, Portugal, République slovaque, République tchèque, Royaume-Uni, Suède et Suisse. Les États-Unis d'Amérique, la Fédération de Russie, l'Inde, Israël, le Japon, la Turquie, la Commission européenne et l'UNESCO ont le statut d'observateur.

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