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Un atome hybride d'hélium, fait de matière et d'antimatière, dans lequel un électron a été remplacé par un antiproton – l'équivalent du proton dans l'antimatière – s'est comporté de façon inattendue au contact de la lumière laser, une fois plongé dans de l'hélium superfluide, a annoncé la collaboration ASACUSA au CERN. Le résultat, décrit dans un article publié ce jour dans la revue Nature, pourrait ouvrir plusieurs perspectives de recherche.
« Notre étude donne à penser que les atomes hybrides d'hélium faits de matière et d'antimatière pourraient être utilisés dans d'autres domaines que la physique des particules, en particulier dans des expériences de physique de la matière condensée, voire d’astrophysique, a déclaré Masaki Hori, co-porte-parole de la collaboration ASACUSA. Nous avons probablement fait un premier pas vers l’utilisation des antiprotons pour l'étude de la matière condensée. »
La collaboration ASACUSA a l'habitude de fabriquer des atomes hybrides d'hélium, faits à la fois de matière et d'antimatière, pour déterminer la masse de l'antiproton et la comparer à celle du proton. Ces atomes hybrides sont composés d'un antiproton et d'un électron en orbite autour d'un noyau d'hélium (au lieu de deux électrons en orbite autour du noyau d'hélium), et sont fabriqués à partir d'un mélange d'antiprotons produits à l'usine à antimatière du CERN au moyen d’hélium gazeux de faible densité atomique, maintenu à basse température.
Le fait de disposer de gaz de faibles densité et température a été déterminant pour la réalisation de ces études sur l'antimatière, qui supposent de mesurer la réponse des atomes hybrides au contact de la lumière laser pour en mesurer le spectre de lumière, chaque fois que l'antiproton ou l'électron passe d'un niveau d'énergie à un autre. Des densités et températures élevées de gaz se traduiraient par des raies spectrales trop larges, voire trop sombres, pour permettre de déterminer la masse de l'antiproton par rapport à celle de l'électron.
Aussi les scientifiques d'ASACUSA ont-ils été surpris de constater que la largeur des raies spectrales des antiprotons a diminué lorsqu'ils ont utilisé pour leur nouvelle étude de l'hélium liquide, dont la densité est supérieure à celle de l'hélium gazeux.
De plus, lorsqu'ils ont ramené la température de l'hélium liquide à des valeurs inférieures à la température à laquelle le liquide devient superfluide (c’est-à-dire qu’il circule sans résistance), ils ont constaté que les raies spectrales se rétrécissaient soudainement davantage encore.
« Ce comportement était imprévu, souligne Anna Sótér, principale doctorante ayant travaillé sur l'expérience, aujourd'hui professeure assistante à l'École polytechnique fédérale de Zurich (EPFZ). La réponse optique de l'atome hybride d'hélium dans de l'hélium superfluide est radicalement différente de celle du même atome hybride dans de l'hélium gazeux de haute densité, et de celle de nombreux atomes normaux dans des liquides ou des superfluides. »
Selon les scientifiques, ce comportement surprenant serait lié au rayon de l'orbitale électronique, c'est-à-dire la distance à laquelle est situé l'électron de l'atome hybride d'hélium. Contrairement à celui de nombreux atomes normaux, le rayon de l'orbitale électronique de l'atome hybride varie très peu lorsque la lumière laser est envoyée sur l'atome, ce qui n'a donc pas d'effet sur les raies spectrales même lorsque l'atome est plongé dans de l'hélium superfluide. Toutefois, des études supplémentaires sont nécessaires pour confirmer cette hypothèse.
Ce résultat a plusieurs conséquences. Premièrement, les scientifiques pourraient créer d'autres atomes d'hélium hybrides, par exemple des atomes d'hélium pioniques, dans de l'hélium superfluide, en utilisant des particules d'antimatière et des particules exotiques différentes, afin d'étudier en profondeur leur réponse à la lumière laser et mesurer ainsi la masse des particules. Deuxièmement, le rétrécissement important des raies dans l'hélium superfluide donne à penser que l'on pourrait utiliser des atomes hybrides d'hélium pour étudier cette forme de la matière et potentiellement d'autres phases de la matière condensée. Enfin, il serait possible, en principe, d'utiliser les raies spectrales rétrécies pour rechercher des antiprotons ou antideutérons cosmiques (noyaux composés d'un antiproton et d'un antineutron) qui ont une vitesse particulièrement faible, frappant l'hélium liquide ou superfluide utilisé pour refroidir des expériences dans l'espace ou dans des ballons à haute altitude. Avant de pouvoir utiliser leur nouvelle méthode en complément des techniques actuelles pour rechercher ces formes d'antimatière, les scientifiques doivent encore surmonter de nombreux défis techniques.
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