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La collaboration BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) a battu de nombreux records dans la recherche sur l'antimatière. Elle a ainsi été la première à mesurer l'antimatière avec une précision supérieure à celle obtenue concernant la matière, la première à réussir à conserver de l'antimatière pendant plus d'un an et la première à rechercher en laboratoire une interaction entre l'antimatière et une particule candidate à la matière noire appelée l'axion. Aujourd'hui, l'équipe BASE met au point un dispositif qui permettra d’amener la recherche sur l'antimatière à de nouveaux sommets : un piège à antiprotons portatif, grâce auquel l'antimatière produite par le Décélérateur d'antiprotons (AD) du CERN pourra être transportée dans une autre installation, au CERN ou ailleurs, en vue de mesures de plus grande précision. Ces mesures pourraient dévoiler différences entre la matière et l'antimatière.
Le Big Bang aurait dû créer autant de matière que d'antimatière. Or, l'Univers actuel est presque entièrement constitué de matière : quelque chose a donc dû provoquer ce déséquilibre. Le Modèle standard de la physique des particules prédit l'existence d'une différence entre la matière et l'antimatière, mais qui ne suffit pas à expliquer la prévalence de la matière. Les chercheurs s’efforcent donc de déceler des différences, non apparentes jusqu’ici, entre les deux formes de matière. C’est à quoi s’emploient les équipes de BASE et des autres expériences situées dans le hall du Décélérateur d'antiprotons du CERN.
L'équipe BASE, quant à elle, s'intéresse aux propriétés des antiprotons (antiparticules des protons). Tout d'abord, elle prend des antiprotons produits par l'AD (le seul endroit au monde qui crée quotidiennement des antiprotons), puis les conserve dans un dispositif, appelé piège de Penning, qui maintient en place les particules au moyen de champs électriques et magnétiques. Par la suite, l'équipe BASE injecte un à un les antiprotons dans un système comprenant plusieurs pièges de Penning, dans lequel sont mesurées deux fréquences ; on peut ensuite en déduire certaines propriétés des antiprotons, telles que le moment magnétique, et les comparer avec celles des protons. Ces deux fréquences sont la fréquence cyclotron, qui décrit l’oscillation d’une particule chargée soumise à un champ magnétique, et la fréquence Larmor, qui caractérise la précession du spin d’une particule.
Si l'équipe BASE est parvenue à mesurer ces fréquences avec une précision croissante, cette dernière reste limitée en raison des perturbations externes subies par le champ magnétique du dispositif. « Le hall AD n'est pas un environnement magnétique très silencieux », explique le porte-parole de BASE, Stefan Ulmer. « Pour vous donner une idée, mon bureau au CERN est cent fois plus calme que le hall AD », ajoute-il, un sourire aux lèvres.
C'est pourquoi l'équipe BASE a proposé de créer un piège à antiprotons portatif pour pouvoir transporter les antiprotons produits par l'AD dans un laboratoire de mesure bénéficiant d'un environnement magnétique plus calme. Le dispositif, appelé BASE-STEP, dirigé par le porte-parole adjoint BASE, Christian Smorra, est un système de pièges de Penning, à l'intérieur d'un aimant supraconducteur, capable de supporter les forces liées au transport. De plus, le dispositif sera équipé d'un système de refroidissement à l'hélium liquide et pourra ainsi être transporté pendant plusieurs heures sans qu'une alimentation en énergie électrique soit nécessaire pour le refroidir. Le système de pièges de Penning sera composé d'un premier piège qui recevra et relâchera les antiprotons produits par l’AD et d'un second piège qui conservera les antiprotons.
L'ensemble du dispositif mesurera 1,9 mètre de longueur, 0,8 mètre de largeur et 1,6 mètre de hauteur et pèsera au maximum 1 000 kg. « Ces dimensions réduites et ce poids modeste devraient en principe nous permettre de le charger dans un petit camion ou un van et de le transporter depuis le hall AD jusqu'à une autre installation au CERN ou ailleurs. Nous espérons ainsi améliorer notre compréhension de l'antimatière », explique Christian Smorra, qui a reçu, pour ce projet, une bourse pour chercheurs débutants de la part du Conseil européen de la recherche.
Dans l’attente de prochaines décisions et approbations, l'équipe BASE a commencé à développer les premiers composants du dispositif et prévoit de le terminer en 2022. Affaire à suivre !
Pour en savoir plus sur le BASE-STEP, lisez cet article dans la lettre d'information du département EP.
Voir aussi cet article qui explique comment transporter l'antimatière pour la recherche en physique nucléaire.