La collaboration BASE du CERN a mis au point une nouvelle méthode pour refroidir plus rapidement les antiprotons, ce qui permet de mesurer plus précisément leur masse et leur moment magnétique. Cette avancée pourrait contribuer à mettre en évidence les asymétries entre matière et antimatière, remettant en cause le modèle standard actuel de la physique des particules.
L'équipe BASE de CERN a amélioré les techniques de refroidissement des antiprotons, permettant des mesures plus rapides et plus précises qui remettent en question les théories existantes sur la symétrie matière-antimatière, remodelant potentiellement notre compréhension de la composition de l'univers.
Pourquoi l'univers contient-il de la matière et pratiquement pas d'antimatière ? La collaboration internationale de recherche BASE au sein de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) à Genève, dirigée par le professeur Stefan Ulmer de l'Université Heinrich Heine de Düsseldorf (HHU), a réalisé une avancée expérimentale significative pour répondre à cette question. Ils ont développé une méthode permettant de mesurer la masse et le moment magnétique des antiprotons avec une précision sans précédent, ce qui pourrait aider à découvrir d'éventuelles asymétries entre matière et antimatière. L'équipe de BASE a conçu un piège capable de refroidir les antiprotons individuellement beaucoup plus rapidement qu'auparavant, comme le rapporte la revue scientifique Lettres d'examen physique.
Après le Big Bang Il y a plus de 13 milliards d'années, l'Univers était rempli de radiations à haute énergie, qui généraient en permanence des paires de particules de matière et d'antimatière, comme des protons et des antiprotons. Lorsqu'une telle paire entre en collision, les particules sont annihilées et reconverties en énergie pure. Au total, les mêmes quantités de matière et d'antimatière devraient donc être générées et annihilées, ce qui signifie que l'Univers devrait être en grande partie dépourvu de matière.
Le « piège double de refroidissement du démon de Maxwell », développé par la collaboration BASE, permet de refroidir très rapidement les antiprotons à des températures nécessaires à des mesures de haute précision. Crédit : BASE-Collaboration / Stefan Ulmer
Il existe cependant un déséquilibre évident, une asymétrie, car les objets matériels existent bel et bien. La matière est générée en quantité infime par rapport à l’antimatière, ce qui contredit le modèle standard de la physique des particules. C’est pourquoi les physiciens tentent depuis des décennies d’élargir ce modèle. Pour cela, ils ont également besoin de mesures extrêmement précises des paramètres physiques fondamentaux.
Le rôle de la collaboration BASE
C’est le point de départ de la collaboration BASE (« Baryon Antibaryon Symmetry Experiment »), qui implique les universités de Düsseldorf, Hanovre, Heidelberg, Mayence et Tokyo, l’École polytechnique fédérale de Zurich et les installations de recherche du CERN à Genève, du Centre Helmholtz GSI à Darmstadt, de l’Institut Max Planck de physique nucléaire à Heidelberg, de l’Institut national allemand de métrologie (PTB) à Brunswick et du RIKEN à Wako/Japon.
« La question centrale à laquelle nous cherchons à répondre est la suivante : les particules de matière et les particules d’antimatière correspondantes ont-elles exactement le même poids et le même moment magnétique, ou existe-t-il des différences minimes ? », explique le professeur Stefan Ulmer, porte-parole de BASE. Il est professeur à l’Institut de physique expérimentale de l’HHU et mène également des recherches au CERN et au RIKEN.
Les physiciens veulent réaliser des mesures à très haute résolution des « spin-flip » (transitions quantiques du spin du proton) pour des antiprotons individuels, ultra-froids et donc de très faible énergie, c’est-à-dire le changement d’orientation du spin du proton. « À partir des fréquences de transition mesurées, nous pouvons, entre autres, déterminer le moment magnétique des antiprotons – leurs minuscules barreaux magnétiques internes, pour ainsi dire », explique Ulmer, ajoutant : « L’objectif est de voir avec un niveau de précision sans précédent précision si ces aimants en barreaux à protons et à antiprotons ont la même force.”
Le piège peut être utilisé pour mesurer les transitions de spin des antiprotons avec la plus grande précision. Crédit : BASE-Collaboration / Barbara Maria Latacz
La préparation d’antiprotons individuels pour les mesures, qui permet d’atteindre un tel niveau de précision, est une tâche expérimentale extrêmement chronophage. La collaboration BASE vient de franchir une étape décisive dans ce sens.
Barbara Maria Latacz, du CERN et auteure principale de l’étude publiée dans Physical Review Letters sous forme de « suggestion de l’éditeur », explique : « Nous avons besoin d’antiprotons d’une température maximale de 200 mK, c’est-à-dire de particules extrêmement froides. C’est la seule façon de différencier les différents états quantiques de spin. Avec les techniques précédentes, il fallait 15 heures pour refroidir à cette température les antiprotons que nous obtenions du complexe d’accélérateurs du CERN. Notre nouvelle méthode de refroidissement réduit ce temps à huit minutes. »
Les chercheurs y sont parvenus en combinant deux pièges dits de Penning dans un seul dispositif, un « piège double de refroidissement de type démon de Maxwell ». Ce piège permet de préparer de manière ciblée uniquement les antiprotons les plus froids et de les utiliser pour la mesure de retournement de spin ultérieure ; les particules plus chaudes sont rejetées. Cela élimine le temps nécessaire pour refroidir les antiprotons les plus chauds.
Le temps de refroidissement nettement plus court est nécessaire pour obtenir les statistiques de mesure requises dans un laps de temps nettement plus court, ce qui permet de réduire encore davantage les incertitudes de mesure. Latacz : « Nous avons besoin d’au moins 1 000 cycles de mesure individuels. Avec notre nouveau piège, nous avons besoin d’un temps de mesure d’environ un mois pour cela – contre près de dix ans avec l’ancienne technique, ce qui serait impossible à réaliser expérimentalement. »
Ulmer : « Avec le piège BASE, nous avons déjà pu mesurer que les moments magnétiques des protons et des antiprotons diffèrent d'un milliardième au maximum – nous parlons de 10-9Nous avons pu améliorer le taux d'erreur d'identification de spin de plus d'un facteur 1 000. Lors de la prochaine campagne de mesure, nous espérons améliorer la précision du moment magnétique à 10-dix.”
Le professeur Ulmer explique ses projets d’avenir : « Nous voulons construire un piège à particules mobile qui nous permettra de transporter les antiprotons produits au CERN à Genève vers un nouveau laboratoire à HHU. Ce dernier est conçu de telle manière que nous pouvons espérer améliorer la précision des mesures d’au moins un facteur 10. »
Contexte : Pièges à particules fondamentales
Les pièges permettent de stocker pendant de longues périodes des particules fondamentales chargées électriquement, leurs antiparticules ou même des noyaux atomiques à l'aide de champs magnétiques et électriques. Des périodes de stockage de plus de dix ans sont possibles. Des mesures ciblées de particules peuvent ensuite être réalisées dans les pièges.
Il existe deux types de construction de base : les pièges dits de Paul (mis au point par le physicien allemand Wolfgang Paul dans les années 1950) utilisent des champs électriques alternatifs pour retenir les particules. Les « pièges de Penning » développés par Hans G. Dehmelt utilisent un champ magnétique homogène et un champ quadripolaire électrostatique. Les deux physiciens ont reçu le prix Nobel pour leurs découvertes en 1989.
