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AEgIS, comme d’autres expériences menées auprès de l’usine d’antimatière du CERN, produit des atomes d’antihydrogène dans le but de réaliser des études de haute précision pour comparer la façon dont l’antimatière et la matière « tombent ». Dans un article publié aujourd’hui dans la revue Physical Review Letters, la collaboration AEgIS annonce une prouesse expérimentale qui constitue une première étape vers cet objectif, tout en ouvrant la voie à une toute nouvelle série d’études sur l’antimatière, notamment la possibilité de produire un laser à rayons gamma qui permettrait aux chercheurs de scruter le noyau atomique et aurait des applications au-delà de la physique.
Pour créer des atomes d’antihydrogène (constitués d’un positon en orbite autour d’un antiproton), AEgIS dirige un faisceau de positonium (le positonium étant constitué d’un électron en orbite autour d’un positon), vers un nuage d’antiprotons, produits et ralentis dans l’usine d’antimatière. Lorsqu’un antiproton et un positonium se rencontrent dans le nuage, le positonium cède son positon à l’antiproton, formant ainsi un atome d’antihydrogène.
En produisant de l'antihydrogène de cette manière, AEgIS peut également étudier le positonium, un atome à part entière composé d’antimatière, qui fait l'objet d'expériences dans le monde entier.
Le positonium a une durée de vie très courte ; il s’annihile en rayons gamma en à peine 142 milliardièmes de seconde. Cependant, étant donné qu’il ne comprend que deux particules ponctuelles, l’électron et son équivalent en antimatière, « c’est le système idéal pour mener des expériences, explique Ruggero Caravita, porte-parole d’AEgIS, à condition de pouvoir, entre autres difficultés au plan expérimental, refroidir suffisamment un échantillon pour le mesurer avec une grande précision ».
C'est ce que l’équipe AEgIS a réussi à faire. En appliquant à un échantillon de positonium la technique du refroidissement par laser, la collaboration a déjà réussi à réduire de plus de la moitié la température de l’échantillon, la faisant passer de 380 à 170 degrés kelvin. L'équipe vise à descendre en dessous des 10 degrés kelvin lors d'expériences ultérieures.
Le refroidissement par laser du positonium ouvre de nouvelles perspectives pour les recherches sur l’antimatière. Il sera possible notamment de mesurer très précisément les propriétés et le comportement gravitationnel de ce système matière-antimatière exotique, mais simple, ce qui pourrait révéler une nouvelle physique. Il sera également possible de produire un condensat de Bose-Einstein constitué de positonium, dans lequel tous les éléments constitutifs occupent le même état quantique. Un tel condensat pourrait être candidat à la production, par l’annihilation matière-antimatière de ses éléments, de lumière gamma cohérente, une lumière semblable à celle d’un laser, composée d’ondes monochromatiques présentant une différence de phase constante entre elles.
« Un condensat de Bose-Einstein constitué d’antimatière serait un outil formidable, aussi bien pour la recherche fondamentale que pour la recherche appliquée, en particulier si cela permet de produire de la lumière gamma cohérente, avec laquelle les chercheurs pourraient mieux scruter le noyau atomique », indique Ruggero Caravita.
La technique de refroidissement par laser, utilisée pour la première fois sur des atomes d’antimatière il y a trois ans environ, consiste à faire ralentir progressivement les atomes à l’aide des photons du laser, au cours de plusieurs cycles d’absorption et d’émission de photons. Pour cela, on utilise généralement un laser à bande étroite, qui émet de la lumière dans une petite gamme de fréquences. L’équipe d’AEgIS en revanche a utilisé pour son étude un laser à large bande.
« L’avantage du laser à large bande est qu’il refroidit une plus grande fraction de l’échantillon de positonium, explique Ruggero Caravita. De plus, nous avons réalisé l'expérience sans appliquer de champ électrique ou magnétique externe, ce qui simplifie le dispositif expérimental et prolonge la durée de vie du positonium ».
La collaboration AEgIS n’est pas la seule à avoir réussi à refroidir par laser du positonium ; une équipe indépendante, qui a utilisé une technique différente, a publié ses résultats sur le serveur arXiv le même jour qu’AEgIS.
A propos d’AEgIS:
La collaboration AEgIS est composée de plusieurs groupes de recherche du CERN, de l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (unités de Milan, Pavie et Istituto Trentino per la fisica fondamentale e le sue applicazioni), de l’Université d’Oslo, de l’Université de Paris-Sarclay et du Centre National de la Recherche Scientifique, de l’Université de Liverpool, de l’Université de technologie de Varsovie, de l’Université de Trente, de l’Université Jagellon de Cracovie, de l’Institut de recherche Raman à Bangalore, de l’Université d’Innsbruck, de l’Université et école Polytechnique de Milan, de l’Université de Brescia, de l’Université Nicolas-Copernic à Torún, de l’Université de Lettonie, de l’Institut de Physique de l’Académie polonaise des sciences, et de l’Université technique de Prague.