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Antimatière refroidie à presque zéro absolu par faisceau laser

Les chercheurs ont refroidi l’antimatière à une valeur proche du zéro absolu pour la première fois – en la capturant dans un piège magnétique et en la projetant avec une lumière laser concentrée.

La méthode a permis à des scientifiques canadiens travaillant dans le cadre de l’expérience ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus) du CERN de refroidir l’antimatière à des températures à peine un vingtième de degré au-dessus du zéro absolu, la rendant plus de 3000 fois plus froide que la température la plus froide enregistrée dans l’Antarctique.

En théorie, cette antimatière extra-réfrigérée pourrait aider à révéler certains des plus grands secrets de l’univers, tels que la façon dont l’antimatière est affectée par la gravité et si certaines des symétries théoriques fondamentales proposées par la physique sont réelles.

Antimatière est l’opposé éthéré du régulier matière. La théorie de l’antimatière a été proposée pour la première fois par Paul Dirac en 1928 et a été découverte à peine quatre ans plus tard. Les particules d’antimatière sont identiques à leurs jumeaux de matière, à l’exception de leurs propriétés physiques en miroir – où un électron a une charge négative, son homologue d’antimatière, le positron, en a une positive. La raison pour laquelle nous ne rencontrons pas l’antimatière aussi souvent que la matière ordinaire est que les deux s’annihilent au contact, ce qui rend extrêmement difficile le stockage et l’étude de l’antimatière dans un monde matériel.

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Cependant, grâce à une série de prouesses techniques ingénieuses, les chercheurs ont été en mesure de faire exactement cela. Après avoir accéléré les particules de matière régulières à une vitesse proche de la lumière, puis les avoir brisées ensemble, l’équipe a pu créer des antiparticules. L’équipe a ensuite dirigé et ralenti les antiparticules accélérant en utilisant des champs magnétiques et électriques extrêmement puissants. Enfin, l’équipe a confiné des nuages ​​de positrons et d’antiprotons à l’intérieur d’un champ magnétique jusqu’à ce qu’ils se soient combinés pour former de l’antihydrogène. À ce stade, les chercheurs ont refroidi le nuage d’antihydrogène en le faisant exploser avec un laser.

Mais comment refroidir quelque chose avec un laser? Le mouvement des particules crée de la chaleur. L’astuce consiste donc à faire voyager les photons (particules de lumière) dans le faisceau laser dans la direction opposée des particules d’antimatière en mouvement. Parce que les photons ont leur propre élan, être absorbé par l’antihydrogène tout en voyageant dans la direction opposée peut en fait ralentir l’antihydrogène. Mais la lumière ne peut interagir avec l’antimatière que si elle est réglée sur les longueurs d’onde très spécifiques auxquelles la lumière peut être absorbée par un antiatom.

« Pensez à l’antihydrogène comme à une pierre de curling et aux photons comme à de petites rondelles de hockey », a déclaré Makoto Fujiwara, porte-parole de l’équipe canadienne de l’ALPHA. « Nous essayions de ralentir la pierre de curling en tirant les rondelles sur elle uniquement quand elle se déplaçait vers nous. C’est vraiment difficile à l’échelle atomique, nous profitons donc de l’effet doppler pour régler les rondelles afin qu’elles ne puissent interagir qu’avec la pierre quand elle voyage vers nous, pas loin de nous ou assise au repos. « 

L’effet Doppler – où la longueur d’onde observée de la lumière est écrasée ou allongée si la source lumineuse se déplace vers ou loin de l’observateur – a permis aux scientifiques d’ajuster très précisément la longueur d’onde des photons afin qu’ils ne soient absorbés par les particules d’antihydrogène que si ils venaient vers eux, ralentissant les particules d’antihydrogène.

L’antimatière refroidie aidera les chercheurs à effectuer des mesures beaucoup plus précises, ouvrant ainsi une gamme d’expériences pour sonder certains des mystères les plus profonds de la physique. En laissant tomber un nuage d’antimatière sur une certaine distance, par exemple, ils peuvent tester s’il répond à la gravité de la même manière que la matière ordinaire. Ou, en éclairant ce nuage, ils peuvent comparer les niveaux d’énergie de l’antihydrogène à ceux de la matière régulière avec une précision sans précédent.

Fujiwara est particulièrement enthousiaste à l’idée d’utiliser son antimatière refroidie dans une expérience d’interféromètre.

« Nous voulons obtenir un anti-atome dans le vide et le diviser en une superposition quantique afin qu’il crée un motif d’interférence avec lui-même », a déclaré Fujiwara à 45Secondes.fr. La superposition quantique permet à de très petites particules, comme l’antihydrogène, d’apparaître à plusieurs endroits simultanément. Comme les particules quantiques se comportent à la fois comme une particule et une onde, elles peuvent interférer avec elles-mêmes pour créer un modèle de pics et de creux, un peu comme la façon dont les vagues de la mer se déplacent à travers les brise-roche.

« De cette façon, nous pouvons vraiment étudier précisément la façon dont il interagit avec d’autres forces et quelles sont ses propriétés générales. »

L’équipe a également proposé d’envoyer les anti-atomes dans l’espace libre, ainsi que de les combiner pour fabriquer les premières molécules d’antimatière au monde.

Les résultats des chercheurs ont été publiés le 31 mars dans la revue La nature.

Publié à l’origine sur 45Secondes.fr

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