Des chercheurs travaillant à l’expérience AEgIS ont mis au point une nouvelle méthode permettant de scruter le cœur des atomes. L’étude de démonstration de principe, qui a fait récemment l’objet d’un article dans la revue Physical Review Research, montre que l’on peut utiliser des antiprotons (équivalents dans l’antimatière des protons) pour sonder la périphérie d’une gamme plus large de noyaux atomiques que ce qui était possible avec les méthodes existantes. Étant donné la récente démonstration par le CERN du transport d’antiprotons, cette technique pourrait devenir accessible pour des laboratoires dans toute l’Europe.

La connaissance fine de la façon dont les protons et les neutrons sont disposés à l’intérieur du noyau peut amener à mieux comprendre la force nucléaire forte qui maintient ces particules ensemble. Elle pourrait aussi nous éclairer sur la structure des étoiles à neutrons, ces objets astronomiques denses qui subsistent après l’explosion d’une supernova. En effet, l’intérieur d’une étoile à neutrons n’est pas, comme on pourrait le croire, constitué uniquement de neutrons, et sa composition reste assez mystérieuse. Certains pensent que ces objets pourraient constituer un moyen de tester la physique fondamentale.

Des expériences précédentes s’intéressant à la structure nucléaire ont abouti à la conclusion que, dans de nombreux noyaux, il y a plus de neutrons autour de la périphérie du noyau. Ce phénomène est appelé « peau neutronique ». Mesurer cette peau neutronique est très difficile étant donné l’échelle de grandeur, une fraction de femtomètre, le femtomètre représentant un millionième de milliardième de mètre. Les mesures récentes de cet objet ont donné des résultats présentant des écarts si grands qu’ils ne peuvent pas être expliqués par la théorie. Pour cette raison, les scientifiques recherchent de nouvelles manières de mesurer la peau neutronique.

À cette fin, l’antiproton s’avère un outil particulièrement sensible. Lorsqu’il s’approche d’un noyau, l’antiproton peut s’annihiler en même temps que l’un des protons ou des neutrons présents à la périphérie du noyau.  Dans la plupart des cas, l’énergie dégagée du fait de cette annihilation est suffisante pour déchirer le noyau, mais environ 10 à 20 % des noyaux peuvent éviter cette destruction. On parle alors d’annihilation « froide ».

Les chercheurs peuvent identifier les noyaux qui subsistent et déterminer si un proton ou un neutron a été perdu pendant l’annihilation « froide ». Le nombre de protons et de neutrons perdus donne une indication de la proportion de neutrons par rapport aux protons sur le lieu de l’annihilation. Ce chiffre, combiné aux mesures radiologiques qui indiquent à quelle distance du centre du noyau se trouvait l’antiproton avant son annihilation, permet de déterminer l’épaisseur de la peau neutronique.

Des expériences précédentes ont identifié les noyaux qui subsistent après l’annihilation « froide » en mesurant leur désintégration radioactive. Cependant, cette approche ne pouvait pas s’appliquer à toute la gamme des noyaux, car nombre d’entre eux ne subissent pas de désintégration radioactive après une annihilation « froide » d’antiprotons.

Pour résoudre ce problème, la collaboration AEgIS présente une technique innovante qui jette les bases de l’identification des noyaux après annihilation, y compris les noyaux non radioactifs, au moyen d’une spectrométrie par temps de vol. Cette nouvelle technique vise à exploiter le fait que l’antiproton, en voie d’être annihilé au niveau du noyau, arrache un grand nombre d’électrons en orbite autour de ce noyau. Dans de tels événements, ce qui reste est un ion de charge élevée, au centre duquel se trouve le noyau que l’on veut identifier. Ces ions peuvent être capturés dans les pièges à antimatière de l’expérience AEgIS, qui sont capables de contenir des particules chargées au moyen de champs électromagnétiques.

Dans cette récente étude de démonstration de principe, la collaboration AEgIS a utilisé de l’argon et de l’hélium. Les chercheurs ont fait la démonstration de la méthodologie de base de capture et d’étude des ions à charge élevés produits lorsque des antiprotons s’annihilent à l’intérieur du piège à antimatière en identifiant les espèces d’ions hélium et argon au moyen d’une spectrométrie par temps de vol. Cette approche n’est possible que maintenant, grâce aux avancées techniques réalisées à l’usine à antimatière, où des millions d’antiprotons peuvent être produits et maintenus dans des pièges à antimatière en quelques minutes. De futures expériences utilisant cette technique pourraient donner un aperçu de la périphérie du noyau, complétant d’autres méthodes, telles que celle retenue pour la future expérience PUMA au CERN.

« Notre étude pose les bases de la capture et de l’étude directe des ions à charge élevée qui subsistent après des annihilations froides d’antiprotons pour une gamme de noyaux plus large, explique Fredrik Parnefjord Gustafsson, auteur principal pour cette expérience. Nous espérons que cette nouvelle méthode, combinée avec des pièges à antimatière portatifs, pourraient permettre à des laboratoires, petits ou grands, d’utiliser les antiprotons comme outil pour la recherche nucléaire. »