Premier anniversaire pour les antiprotons de BASE

The BASE experiment zone with the antiproton transfer line and the superconducting magnet. The screens show the signals from single antiprotons stored in the BASE measurement traps. (Image: Stefan Sellner/CERN)

L'expérience BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) menée auprès du Décélérateur d'antiprotons (AD) du CERN a réussi à conserver pendant plus d'un an un paquet d'antiprotons piégés dans son réservoir. Ces antiprotons – les particules d'antimatière correspondant aux protons – ont été injectés dans le piège-réservoir de l’expérience le 12 novembre 2015, et la collaboration travaille depuis avec ces même particules. Deux records ont ainsi été établis : personne auparavant n'était parvenu à piéger de l'antimatière pendant aussi longtemps et, à notre connaissance, aucune particule chargée n'avait été conservée ainsi aussi longtemps.

L'objectif de l'expérience BASE est de comparer avec précision les propriétés des protons et celles des antiprotons ;  tout écart détecté serait le signe d'une nouvelle physique, au-delà du Modèle standard.

Les expériences de haute précision de BASE ne s'effectuant que sur un antiproton à la fois, un faisceau continu n'est pas nécessaire. Un seul paquet en provenance du décélérateur contient assez d'antiprotons pour les besoins de l'expérience. « Le réservoir d'antiprotons nous permet d'être autonomes pendant des mois, ce qui est particulièrement utile pendant l’arrêt hivernal, quand l'AD ne produit aucun faisceau », explique Stefan Ulmer, porte-parole de la collaboration BASE.

Le piège-réservoir se trouve dans un cylindre d'un volume de 1,2 litre. Les particules sont retenues dans un petit espace au centre du dispositif par deux champs électrique et magnétique superposés. Sur un côté du piège se trouve une petite fenêtre en métal, assez fine pour permettre le passage des antiprotons mais suffisamment solide pour garantir une isolation complète avec l’extérieur. Tous les autres côtés du dispositif sont en cuivre massif. Le cylindre est refroidi avec de l'hélium liquide jusqu'à une température de 6 K (-267 °C) de façon à obtenir un vide quasi parfait. En effet, si un antiproton rencontre une particule de matière, il sera détruit et disparaîtra. L'équipe de l'expérience BASE doit par conséquent veiller à ce que le réservoir ne contienne pour ainsi dire plus aucune particule de gaz résiduel.  « Comme nous n'avons encore observé aucune disparition d'antiproton, on peut affirmer qu'il reste moins de trois particules de matière par centimètre cube », explique Christian Smorra, boursier de recherche de la collaboration BASE.

Le piège-réservoir de BASE possède une autre caractéristique unique. Les antiparticules sont les particules les plus rares de notre Univers ; elles sont en effet créées uniquement lors de collisions de particules à haute énergie ou d'une désintégration nucléaire. La symétrie proton-antiproton a ainsi toujours présenté un énorme déséquilibre en faveur des protons.  L'existence d'un réservoir de centaines d'antiprotons, confinés dans un petit espace et dans un vide presque parfait, représente une inversion locale significative de cette asymétrie.  « Ce qui est remarquable avec BASE, c'est que nous pouvons garder les particules aussi longtemps que nous le souhaitons, explique Stefan Sellner, post-doctorant de l'expérience. Avec des températures avoisinant le zéro absolu, nos antiprotons sont également les particules d'antimatière les plus froides jamais produites ».

À la fin de l'année, le dispositif de l'expérience BASE sera soumis à une période de maintenance et de développement ; les antiprotons seront alors libérés du piège-réservoir dans lequel ils sont conservés depuis plus d'un an.