Dans le numéro de mercredi de Nature, un nouvel article décrit un moyen potentiellement utile de mesurer les interactions entre la matière normale et les particules exotiques, comme les antiprotons et les éléments instables comme les kaons ou les éléments contenant un quark étrange. Le travail est susceptible d’être utile, car nous ne comprenons toujours pas l’asymétrie qui a permis à la matière d’être la forme dominante dans notre Univers.
Mais l’étude est probablement plus remarquable pour la manière surprenante dont elle a collecté les mesures. Une petite équipe de recherche a réussi à mettre un antiproton en orbite autour du noyau d’un atome d’hélium qui faisait partie d’un peu d’hélium liquide refroidi jusqu’à ce qu’il agisse comme un superfluide. Les chercheurs ont ensuite mesuré la lumière émise par les transitions orbitales de l’antiproton.
Pourquoi quelqu’un voudrait-il faire ça?
Il y a plusieurs raisons pour lesquelles vous voudriez obtenir des mesures précises de ce genre de chose. D’une part, les mesures seront sensibles aux propriétés de l’antimatière et des quarks étranges, qui ont une courte durée de vie et sont souvent créés dans des environnements qui rendent difficiles les mesures de précision. De plus, ce système implique des interactions entre l’antimatière et la matière régulière, qui peuvent être difficiles à capter en raison de leurs extrémités violentes. Enfin, les interactions spécifiques ici – entre un noyau atomique et un objet dans les orbitales qui l’entourent – sont sensibles à des propriétés fondamentales pour l’Univers.
Dans ce cas, l’antimatière était un antiproton. Comme c’est l’opposé d’un proton, il a une charge négative. Du point de vue du noyau, l’antiproton ressemble beaucoup à un électron souffrant d’obésité morbide : il occupera des orbitales d’énergies précises autour du noyau mais de forme différente de celles occupées par l’électron. Et tout comme un électron, l’antiproton peut se déplacer entre les orbitales en absorbant ou en émettant un photon.
L’énergie des photons émis renseigne sur les interactions entre l’antiproton et le noyau atomique. C’est cette information que recherchaient les chercheurs.
Cependant, effectuer ces mesures représentait un défi de taille, et pas seulement en raison de la tendance de la matière et de l’antimatière à s’annihiler mutuellement. Tout mouvement des atomes étudiés entraînera généralement un décalage du photon vers le rouge ou le bleu par rapport à sa valeur réelle. Dans un environnement à haute énergie, ce processus transformera ce qui devrait être un pic net à une longueur d’onde spécifique en un flou imprécis qui ne nous donne pas de réponses utiles.
Essayer quelque chose qui n’a pas fonctionné
Le moyen le plus simple d’éviter ce problème est de ralentir les atomes, c’est-à-dire de les refroidir. Dans le cas de l’hélium, cependant, un refroidissement suffisant créera un superfluide, auquel point ses atomes s’écouleront sans perdre d’énergie au profit de la viscosité. Cette transition a le potentiel d’aggraver les choses. Dans le passé, les chercheurs ciblaient les températures juste à la transition, là où l’hélium liquide est le plus dense (et où il est nettement plus dense que l’hydrogène, ce qui pourrait autrement être une option pour ce type d’expérience).
Mais ces expériences n’ont pas fonctionné, car les mesures ont produit les larges pics typiques des échantillons d’imagerie qui se déplacent beaucoup. Les chercheurs ont spéculé sur les raisons pour lesquelles les expériences n’ont pas fonctionné, mais les nouveaux travaux favorisent une explication, sur laquelle nous reviendrons.
Dans tous les cas, la configuration expérimentale implique un peu de recyclage, en utilisant des antiprotons qui pourraient autrement être jetés. Le CERN produit des antiprotons à utiliser dans la création d’atomes d’antihydrogène, mais ce processus ne fonctionne qu’avec des antiprotons qui sont en dessous d’une certaine énergie. Une fois que les particules de basse énergie sont transportées vers cette expérience, le CERN se retrouve avec un faisceau d’antiprotons d’énergie modérée. C’est ce faisceau qui a été utilisé dans les expériences.