Refroidissement au positronium. La collaboration AEgIS au CERN a démontré expérimentalement le refroidissement laser du positronium à l’aide d’un système laser à base d’alexandrite. Crédit : CERN – Politecnico di Milano
Les chercheurs ont réussi à refroidir des atomes de positronium, ce qui a eu un impact significatif sur la recherche sur l’antimatière et a permis de nouvelles expériences en électrodynamique quantique et le potentiel d’un condensat de Bose-Einstein d’antimatière.
La collaboration internationale AEgIS (Antimatter Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy) à CERNà laquelle participe le professeur Giovanni Consolati du Département des sciences et technologies aérospatiales au nom du Politecnico di Milano, a démontré expérimentalement, pour la première fois, le refroidissement laser au positronium (Ps) en utilisant un système laser particulier (à base d’alexandrite), spécifiquement développé pour répondre aux exigences du refroidissement : haute intensité, large bande passante et longue durée de l’impulsion.
La température équivalente des atomes de Ps sortant d’une cible poreuse (à température ambiante) frappée par un faisceau de positons a diminué de 380 K à 170 K, correspondant à une diminution de la composante transversale de la vitesse efficace de Ps de 54 km/s à 37 km. /s.
La nature unique du positronium
Ps est un frère mineur de l’hydrogène, un positron remplaçant le proton. Par conséquent, il est environ 2000 fois plus léger que l’hydrogène et son énergie est réduite d’un facteur 2. Il est instable : dans le vide et à l’état fondamental, avec des spins parallèles des deux particules, il s’annihile avec une durée de vie de seulement 142 ns. Le refroidissement du Ps doit se produire pendant sa courte durée de vie, ce qui rend le processus très difficile par rapport aux atomes ordinaires. L’utilisation d’un laser pulsé à large bande passante présente l’avantage de refroidir une grande fraction du nuage de positronium tout en augmentant sa durée de vie effective, ce qui entraîne également un nombre plus élevé de Ps après refroidissement pour des expérimentations ultérieures.
Implications pour la recherche sur l’antimatière
Dans le cas de l’expérience AEgIS, visant à mesurer l’accélération gravitationnelle de l’antihydrogène (comme test du principe d’équivalence faible pour l’antimatière), cette dernière est obtenue grâce à une réaction entre Ps à l’état excité et des antiprotons piégés. Plus la vitesse du Ps est faible, plus la probabilité de formation d’antihydrogène est élevée, d’où l’importance de produire du Ps avec la plus faible énergie cinétique possible.
Faire progresser la science fondamentale et les applications potentielles
La disponibilité d’atomes de Ps suffisamment « froids » est de la plus haute importance pour la science fondamentale, par exemple la spectroscopie de précision des niveaux d’énergie excités par le Ps permettant de tester l’électrodynamique quantique avec une précision sans précédent, ou de tester le principe d’équivalence avec un système purement leptonique.
De plus, la possibilité de constituer un ensemble d’atomes froids de Ps pourrait ouvrir la voie au premier condensat de Bose-Einstein d’antimatière (BEC, déjà obtenu par refroidissement laser d’atomes ordinaires), un état dans lequel les phénomènes de mécanique quantique se manifestent de manière macroscopique. Un BEC au positronium entraînerait une annihilation stimulée, ce qui a été proposé comme moyen de produire un rayonnement électromagnétique cohérent dans la gamme des énergies des rayons gamma.
Le résultat a été publié dans Lettres d’examen physique comme Point culminant de l’éditeur.
