AegIS : du positonium pour des expériences sur la gravité

Mar 27, 2019

L'Univers est presque totalement dénué d'antimatière, et les spécialistes de la physique ne peuvent toujours pas expliquer pourquoi. La découverte d'une différence, même infime, entre le comportement de la matière et celui de l'antimatière dans le champ gravitationnel de la Terre pourrait faire la lumière sur cette question. Les atomes de positonium, composés d'un électron et d'un positon, constituent l'un des types de particules d'antimatière qu'on pourrait utiliser pour constater expérimentalement si, dans le champ gravitationnel de la Terre, l'antimatière tombe à la même vitesse que la matière. Cependant, ces atomes ont une durée de vie courte, d'à peine que 142 nanosecondes (ns) ; ce temps est trop court pour permettre d'effectuer une expérience relative à l'effet de la gravité sur l'antimatière. C'est pourquoi les équipes de recherche s'efforcent de rechercher des moyens de produire des atomes de positonium ayant une durée de vie plus longue. Dans un document publié aujourd'hui dans la revue Physical Review A, la collaboration AEgIS au CERN décrit un nouveau procédé employé pour allonger la durée de vie du positonium.

Pour pouvoir être utilisée pour des expériences sur la gravité, une source de positonium doit produire en grand nombre des atomes à longue durée de vie, ayant une vitesse connue et maîtrisée, non sensible aux perturbations produites par des champs électriques ou magnétiques. La nouvelle source d'AEgIS possède toutes ces caractéristiques, puisqu'elle produit quelque 80 000 atomes de positonium par minute, d'une durée de vie de 1140 nanosecondes et ayant une vitesse connue (entre 70 et 120 kilomètres par seconde), maîtrisée avec une haute précision (10 kilomètres par seconde).

Comment arriver à ce résultat ? L'idée est d'utiliser un dispositif de conversion des positons en positonium pour produire les atomes, et un éclair de lumière laser ultraviolette, qui permet de faire d'une pierre deux coups : le laser excite les atomes de façon à les faire passer de l'état d'énergie le plus bas à un état d'énergie plus élevée, qui augmente leur durée de vie, et il sélectionne dans le lot les atomes ayant une vitesse déterminée.

Ce n'est pas la première fois qu'une source d'atomes de positonium à longue durée de vie est produite. D'autres techniques permettent cette production, en particulier une technique consistant à porter les atomes à des états électroniques appelés états de Rydberg ; ces techniques pourraient également être utilisées pour effectuer des expérience sur la gravité. Tous ces dispositifs sont cependant très sensibles aux champs électriques et magnétiques qui ont une influence sur la vitesse des atomes et qui devraient être pris en compte pour les futures mesures de la gravité. La nouvelle méthode imaginée par EegIS est plus « nette », car le dispositif est presque insensible à ces champs.

La prochaine étape de cette entreprise de longue haleine consistant à mesurer, au moyen de la nouvelles source d'AEgIS, l'effet de la gravité sur le positonium (alors que les études entreprises dans le domaine par l'équipe AegIS et par d'autres collaborations du CERN portent essentiellement sur des mesures réalisées sur des atomes d'antihydrogène), sera de confirmer que les atomes produits sont électriquement neutres. Le complexe d'accélérateurs du CERN est actuellement arrêté pour un programme d'amélioration important, d'une durée de deux ans ; la plupart des expériences au Laboratoire, qui ont besoin d'un faisceau de protons, ne fonctionnent pas pendant cet arrêt. L'un des avantages de cette expérience sur les positoniums est qu'elle ne nécessite pas de protons, ce qui fait qu'elle peut continuer à fonctionner pendant l'arrêt de l'accélérateur.


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