L’expérience ATRAP réalise une mesure exceptionnellement précise du moment magnétique de l’antiproton

Genève, le 25 mars 2013. L’expérience ATRAP1, qui étudie l’antihydrogène auprès du Décélérateur d’antiprotons (AD) du CERN2, a publié aujourd’hui dans la revue Physical Review Letters une nouvelle mesure du moment magnétique de l’antiproton avec une incertitude sans précédent de 4,4 millionièmes. Ce nouveau résultat est 680 fois plus précis que les mesures précédentes.  Cet accroissement spectaculaire de la précision s’explique par le fait que l’expérience a la capacité de piéger individuellement des protons et des antiprotons, et qu’elle utilise un gradient de champ magnétique très élevé afin de rendre le dispositif plus sensible à un moment magnétique très faible.  Le nouveau résultat de l’expérience ATRAP pourrait apporter un début de réponse à la question du déséquilibre matière-antimatière dans l'Univers, l'un des grands mystères de la physique moderne.

« Il est essentiel d’établir des comparaisons précises entre les propriétés des particules d’antimatière et celles des particules de matière, car on ne connaît toujours pas la cause de l’énorme déséquilibre entre matière et antimatière dans l'Univers, explique le porte-parole de l’expérience ATRAP, Gerald Gabrielse, de l’Université Harvard.  Comparer le moment magnétique de l’antiproton avec celui du proton est un moyen pour nous de vérifier le Modèle standard et le théorème CPT, qui fait partie de ce Modèle. »

En opérant sur des particules isolées, l’expérience ATRAP a pu mesurer avec précision la charge, la masse et le moment magnétique de l’antiproton. Le dispositif expérimental comporte un piège de Penning, sorte de cage électromagnétique : l’antiproton se trouve suspendu au centre d’une électrode en fer en forme d'anneau placée entre deux électrodes en cuivre.  Un contact thermique avec de l’hélium liquide permet de maintenir les électrodes à 4,2 K et d’obtenir un vide presque parfait, en éliminant les atomes de matière résiduels qui pourraient sinon annihiler les antiprotons.  L’application aux électrodes de tensions statiques et oscillantes permet de manipuler l'antiproton et de mesurer ses propriétés.  

La collaboration ATRAP a découvert que les moments magnétiques de l’antiproton et du proton sont « exactement opposés » : égaux en intensité mais opposés du point de vue du spin de ces particules, ce qui correspond aux prédictions du Modèle standard et au théorème CPT avec une incertitude de 5 millionièmes. Toutefois, la collaboration a le potentiel de réaliser une mesure bien plus précise, ce qui pourrait lui permettre d'opérer une vérification encore plus pointue des prédictions du Modèle standard.

« Nous envisageons de poursuivre notre étude de la symétrie CPT par de nouvelles mesures encore plus précises sur les antiprotons, souligne Gerald Gabrielse. En combinant les méthodes d’observation de particules isolées avec de nouvelles méthodes quantiques donnant la possibilité d'observer des renversements de spin dans les antiprotons, il devrait être possible d’effectuer des comparaisons entre antiproton et proton avec une incertitude d’un milliardième, voire plus. »

La revue Physical Review Letters publiera la semaine prochaine un deuxième rapport – la première observation par l’expérience de renversements de spin d’un proton déterminé.  ATRAP ne se contentera pas de cette mesure ultra-précise de confirmation du Modèle standard et du théorème CPT. En attendant que le CERN reprenne les activités avec antiprotons, en 2014, la collaboration aura recours au proton pour affiner ses nouvelles méthodes quantiques, afin d'être prête pour la réalisation de mesures de plus en plus précises.  

En savoir plus :

Voir un article « point de vue » et l’article scientifique complet (en anglais) : http://physics.aps.org/articles/v6/36

Photos: http://cds.cern.ch/record/1532103

Note(s)

1. La collaboration ATRAP est constituée d’une équipe de scientifiques de l’Université Harvard, à Boston (États-Unis), de l’Universitié York, à Toronto (Canada), du centre de recherches Forschungszentrum Jülich (Allemagne) et de l’Université Johannes Gutenberg, à Mayence (Allemagne)

2. Le CERN, Organisation européenne pour la Recherche nucléaire, est le plus éminent laboratoire de recherche du monde en physique des particules. 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. La Roumanie a le statut de candidat à l’adhésion. Chypre, Israël et la Serbie sont États membres associés en phase préalable à l’adhésion. La Commission européenne, les États-Unis d’Amérique, la Fédération de Russie, l’Inde, le Japon, la Turquie et l’UNESCO ont le statut d'observateur.

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