Une équipe ASACUSA crée et étudie un nouvel atome exotique au PSI

May 08, 2020

Une équipe de scientifiques de la collaboration ASACUSA a transporté à l'Institut Paul Scherrer (PSI), près de Zurich, des équipements du CERN afin de permettre la production d'un atome exotique, prédit par la théorie mais jamais vérifié expérimentalement, et a réalisé les premières mesures de la façon dont cet atome absorbe la lumière et résonne avec celle-ci. Les résultats, publiés aujourd'hui dans la revue Nature, sont inédits : il s'agit de la première mesure spectroscopique d'un atome exotique contenant un méson, à savoir une particule constituée de deux particules fondamentales appelées quarks.

Remplacez un électron d'un atome par une particule lourde de charge négative, et vous obtenez ce qu'on appelle un atome exotique. De tels atomes ont généralement une durée de vie très courte. Ils constituent un excellent moyen d'étudier les propriétés de la particule qui remplace l'électron dans l'atome et de rechercher des phénomènes de physique non prédits par le Modèle standard.

« Les mesures spectroscopiques laser des atomes exotiques contenant des mésons pourraient être utilisées pour déterminer avec une grande précision la masse et les autres propriétés de ces mésons, et également pour fixer des limites sur d'éventuelles nouvelles forces agissant sur les mésons, explique Masaki Hori, co-porte-parole d'ASACUSA. Pour le méson utilisé dans cette étude, qui est l'un des mésons les plus légers, nous pourrions être en mesure ultérieurement de déterminer sa masse avec une précision supérieure au cent millionième. La précision serait ainsi 100 fois supérieure à ce qui a été obtenu jusqu'à présent, et cela permettrait de réaliser une comparaison précise avec la prédiction du Modèle standard. »

Le nouvel atome étudié par l'expérience consiste en un noyau d'un isotope de l'hélium (hélium-4), un électron et un pion de charge négative à un niveau d'énergie plus élevé. Sa durée de vie est plus de mille fois supérieure à celle d'aucun autre atome contenant un pion. Pour réaliser ces atomes, l'équipe a utilisé des pions de charge négative fournis par le cyclotron de 590 MeV du PSI, qui est la source la plus intensive de ces pions au monde, et les a focalisés, au moyen d'un aimant, sur une cible contenant de l'hélium superfluide (les superfluides sont des fluides dont l'écoulement se fait sans résistance aucune). La cible, de même que l'aimant, ont été réalisés au CERN et acheminés au PSI pour cette étude.

Ensuite, pour confirmer que les atomes ont bien été créés, et pour étudier la façon dont ils absorbent la lumière laser et résonnent avec celle-ci, l’équipe a envoyé sur la cible une lumière laser, à différentes fréquences, en recherchant des cas où les pions effectuent un saut quantique entre les différents niveaux d'énergie des atomes qui les contiennent.

Procédant par tâtonnements à différentes fréquences laser, l'équipe a été en mesure d'identifier un saut spécifique. Ce saut devait produire l'absorption du pion par le noyau d'hélium, ce dernier se décomposant alors en un proton, un neutron et une particule composite faite d'un proton et d'un neutron. Les scientifiques ont détecté ces fragments au moyen d'une batterie de détecteurs de particules également réalisés au CERN et acheminés au PSI, confirmant ainsi que les pions avaient effectivement réalisé ce saut.

La prochaine étape pour les scientifiques sera d'améliorer la précision avec laquelle ce saut a été identifié et de rechercher d'autre sauts, qui pourraient être utilisés pour mesurer la masse des pions et mettre à l'épreuve le Modèle standard.

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Dispositif expérimental utilisé pour synthétiser des atomes d'hélium pioniques à l'Institut Paul Scherrer (Image: Masaki Hori, ASACUSA Collaboration, CERN)

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