Des scientifiques affirment que le laser fabriqué au Canada leur permet de manipuler l’antimatière

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Les atomes d’antimatière sont annihilés chaque fois qu’ils entrent en contact avec la matière – ce qui constitue tout. Cela les rend difficiles à étudier, ce qui a été un problème, disent les scientifiques, car l’étude de l’antimatière est essentielle pour comprendre comment l’univers s’est formé.

La question a donc été de savoir comment manipuler les atomes d’antimatière afin de les étudier et de les mesurer correctement?

Une équipe de scientifiques affirme avoir trouvé un moyen d’y parvenir en ralentissant les atomes d’antimatière grâce aux explosions d’un laser spécial fabriqué au Canada. Et ils disent que cela pourrait permettre de créer des molécules d’antimatière – des particules plus grosses plus similaires à la matière que nous rencontrons dans le monde réel – en laboratoire.

«C’est là que cela devient vraiment excitant pour nous», a déclaré Makoto Fujiwara, chercheur à TRIUMF, le centre canadien d’accélérateurs de particules à Vancouver, en Colombie-Britannique.

Fujiwara est membre de la collaboration scientifique internationale connue sous le nom d’ALPHA, qui a créé le laser fabriqué au Canada, selon eux, pourrait permettre aux scientifiques de manipuler, d’étudier et de mesurer l’antimatière comme jamais auparavant. La nouvelle technique leur permettrait d’étudier ses propriétés et son comportement plus en détail, de les comparer à la matière et d’aider à répondre à certaines des questions les plus fondamentales de la physique sur l’origine de l’univers.

La collaboration, basée au laboratoire souterrain du CERN, l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire, a publié la nouvelle recherche dans la revue Nature Wednesday.

Le groupe comprend des scientifiques de pays du monde entier, y compris des chercheurs canadiens du TRIUMF, de l’Université de la Colombie-Britannique (UBC), de l’Université Simon Fraser, de l’Université de Victoria, de l’Institut de technologie de la Colombie-Britannique, de l’Université de Calgary et de l’Université York à Toronto. d’organismes gouvernementaux, dont le Conseil européen de la recherche et le Conseil national de recherches du Canada, et quelques fiducies et fondations.

Qu’est-ce que l’antimatière?

Selon notre compréhension de la physique, pour chaque particule de matière qui existe, il y a une particule d’antimatière correspondante de même masse, mais de charge opposée. Par exemple, «l’antiparticule» d’un électron – un antiélectron, généralement appelé positron – a une charge positive.

L’antimatière est produite en quantités égales avec la matière lorsque l’énergie est convertie en masse. Cela se produit dans les collisionneurs de particules tels que le grand collisionneur de hadrons du CERN. On pense également que cela s’est produit pendant le Big Bang au début de l’univers.

Mais il n’y a plus une quantité significative d’antimatière dans l’univers – un grand casse-tête pour les scientifiques.

Les scientifiques aimeraient pouvoir étudier l’antimatière pour comprendre en quoi elle est différente de la matière, car cela pourrait fournir des indices sur la raison pour laquelle l’antimatière de l’univers a apparemment disparu. Mais il y a un problème – lorsque l’antimatière et la matière se rencontrent, elles sont toutes deux annihilées, produisant de l’énergie pure. (Une quantité énorme – c’est ce qui alimente le lecteur de distorsion fictif dans Star Trek).

Parce que notre monde est fait de matière, travailler avec de l’antimatière est délicat. Pendant longtemps, les scientifiques pouvaient produire des atomes d’antimatière en laboratoire, mais ils ne dureraient que des millionièmes de seconde avant de heurter les parois de matière de leur conteneur et d’être détruits.

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Puis en 2010, la collaboration ALPHA a développé un moyen de capturer et retenir les atomes d’antimatière utilisant un champ magnétique extrêmement puissant généré par un aimant supraconducteur. Ce champ magnétique pourrait les éloigner des côtés de leur conteneur, qui est fait de matière, pendant une demi-heure, ce qui donne aux scientifiques suffisamment de temps pour le faire. des mesures sur l’anti-hydrogène qui le comparent à l’hydrogène.

Le «  rêve fou  » de Makoto Fujiwara

Il y avait un problème cependant. Bien que les images que vous prenez avec votre appareil photo soient floues si l’objet que vous photographiez se déplace trop rapidement, il était difficile d’obtenir des mesures précises sur les anti-atomes d’hydrogène sans pouvoir les ralentir. Mais Fujiwara avait une idée de la façon de faire cela.

« C’est l’un de mes rêves fous que j’ai eu il y a longtemps – c’est-à-dire manipuler et contrôler le mouvement des atomes d’antimatière par la lumière laser », se souvient-il.

Il savait que les atomes réguliers pouvaient être ralentis par « refroidissement laser » (les atomes se déplacent plus lentement à des températures plus froides et arrêtent de bouger à une température de 0 Kelvin ou 0 K, équivalent à -273,15 C, appelé zéro absolu). Les atomes de chaque élément sont sensibles aux couleurs spécifiques de la lumière. Les frapper avec ces couleurs spécifiques dans certaines conditions peut les amener à absorber la lumière et à ralentir le processus.

En théorie, les anti-atomes d’hydrogène devraient répondre aux mêmes couleurs que les atomes d’hydrogène réguliers (quelque chose que les chercheurs ont fini par confirmer en 2018.)

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Ainsi, dès que ALPHA a réussi à piéger les atomes d’antimatière d’hydrogène, Fujiwara a proposé d’essayer un refroidissement laser sur eux.

Ses collègues ont ri, au début, se souvient-il, «parce que tout le monde savait qu’un laser serait si difficile à construire pour cela.

La couleur dont ils avaient besoin, représentée en physique par sa longueur d’onde (par exemple, le rouge a une longueur d’onde d’environ 700 nanomètres et le bleu une longueur d’onde d’environ 450 nanomètres) devait être très précise. Il lui fallait une longueur d’onde d’exactement 121,6 nanomètres. Un laser de cette couleur n’avait jamais été construit auparavant. Le laser devrait également s’intégrer dans un espace très confiné dans une configuration expérimentale très complexe avec de nombreux composants.

Puis, un jour, Fujiwara a rencontré son collègue Takamasa Momose, professeur de chimie à l’UBC, à la cafétéria de TRIUMF à Vancouver. Il a mentionné le problème et Momose a dit qu’il pouvait fabriquer le laser.

Les deux ont travaillé ensemble, et après près de 10 ans, ils ont réussi.

Ce que vous pouvez faire avec des atomes d’antimatière ultra-lents

Des atomes d’antihydrogène sont créés et piégés à des températures très froides, environ 0,5 Kelvin ou K (-272,65 C). Mais même à cette température, ils se déplacent à environ 300 kilomètres à l’heure. Grâce au refroidissement laser, le chercheur a réussi à les faire descendre à 0,01 K (-273,14) et à une vitesse de 36 kilomètres par heure.

« Presque vous pouvez rattraper votre retard en courant », a déclaré Fujiwara (c’est-à-dire si vous êtes Usain Bolt, qui a parcouru en moyenne 37,58 kilomètres à l’heure dans son sprint record de 100 mètres).

Makoto Fujiwara se tient devant l’appareil d’expérimentation ALPHA à l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) en Suisse. La collaboration internationale a équipé l’appareil du laser spécial pour ralentir et refroidir les atomes d’antimatière d’hydrogène. (Maximilien Brice )

L’équipe a pu mesurer les couleurs qui représentent «l’empreinte» des atomes d’antihydrogène refroidis. Et ces vitesses lentes, la mesure était quatre fois plus nette que les mesures floues qu’ils avaient prises à des vitesses plus rapides et à des températures plus élevées.

Momose a déclaré que lorsque les atomes se déplaçaient plus lentement, cela leur permettait également de se rapprocher – et peut-être même de se connecter pour former de plus grosses particules d’antimatière, ce qui, selon lui, est son prochain objectif.

« Jusqu’à présent, nous n’avons que des atomes d’antihydrogène », a-t-il déclaré. « Mais je pense que c’est cool de faire une molécule avec de l’antimatière. »

Fujiwara veut également mesurer la force de gravité sur les atomes d’antimatière pour voir si c’est la même chose que la force de gravité sur la matière. La force de gravité est très faible sur quelque chose avec une masse aussi petite qu’un atome, et son signal est généralement noyé par les signaux d’autres mouvements atomiques. Mais comme les atomes arrêtent de bouger au zéro absolu, ces autres mouvements peuvent être considérablement réduits avec un refroidissement extrême.

Pourquoi c’est un «  bon pas en avant  »

Randolph Pohl est professeur de physique atomique expérimentale à l’Université de Mayence en Allemagne qui n’a pas participé à l’étude, mais a travaillé avec l’antimatière dans le passé. Il a suivi les travaux d’ALPHA, et a déclaré que ses derniers résultats étaient « une belle avancée » vers des mesures précises de « l’empreinte » de l’antihydrogène.

Mais il pense que la nouvelle technique aura un impact encore plus grand sur les mesures de l’accélération gravitationnelle sur les atomes d’antimatière: « La grande question est: l’antimatière tombera-t-elle sur la terre – sera-t-elle attirée par la matière? Ou pourrait-elle être repoussée par la matière ou tomber vers le haut? »

Il a ajouté que jusqu’à présent, personne ne s’attend à une différence entre la matière et l’antimatière dans son comportement, mais cette théorie doit encore être testée.

« Parce qu’il y a eu des occasions dans le passé où les gens ont mesuré quelque chose où personne ne s’attendait à voir un écart, puis soudainement un écart est apparu », a-t-il dit. « Et cela a changé notre vision du monde. »

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