Des chercheurs de l’expérience ALPHA ont réussi à mesurer avec une précision cent fois supérieure une caractéristique de l’antihydrogène, homologue dans l’antimatière de l’atome d’hydrogène. Ce résultat, publié aujourd’hui dans la revue Nature, permet de comparer avec précision l’hydrogène et l’antihydrogène.

Dans cette étude, la collaboration ALPHA a mesuré la séparation hyperfine de l’atome d’antihydrogène à l’état fondamental. Celui-ci se compose d’un antiproton autour duquel tourne un positon – équivalent dans l’antimatière de l’électron. On appelle séparation hyperfine une infime subdivision de l’état d’énergie le plus faible de l’atome due à une interaction magnétique entre l’antiproton et le positon. D’après les symétries fondamentales de la nature, la mesure de la séparation hyperfine devrait être identique à l’effet équivalent observé pour l’hydrogène.

Des chercheurs ont mesuré la séparation hyperfine de l’atome d’hydrogène à l’état fondamental avec une précision extrêmement poussée, de l’ordre du millionième de millionième. Ce résultat est important, car il ouvre la voie à des tests rigoureux de l’électrodynamique quantique – la théorie qui explique le mieux les interactions entre les particules chargées et la lumière.

« La séparation hyperfine de l’hydrogène à l’état fondamental est à l’origine de ce qu’on appelle la “raie à 21 cm”, chère aux radioastronomes et aux chercheurs en quête d’intelligence extraterrestre, explique Jeffrey Hangst, porte-parole de l’expérience ALPHA. Lorsque l’usine à antimatière a été créée dans les années 1990, la mesure de la séparation hyperfine de l’antihydrogène était l’un des objectifs qui justifiaient sa construction. »

Il est extraordinairement difficile de mesurer la séparation hyperfine de l’antihydrogène, étant donné que celui-ci s’annihile dès qu’il entre en contact avec la matière. L’usine à antimatière du CERN produit de l’antimatière en projetant des protons de haute énergie provenant du Synchrotron à protons sur un bloc de métal, ce qui produit des cascades de particules secondaires, parmi lesquelles se trouvent des antiprotons. Ces antiprotons peuvent ensuite être refroidis en vue de leur utilisation par les expériences présentes dans l’installation. L’expérience ALPHA est spécialisée dans la production d’antihydrogène grâce à la fusion d’antiprotons et de positons.  Les chercheurs piègent l’antihydrogène au moyen de champs magnétiques et peuvent ainsi l’étudier de façon approfondie.

Depuis qu’elle a commencé à enregistrer des données en 2006, la collaboration ALPHA a mené des études de plus en plus poussées sur l’atome d’antihydrogène. En 2017, ses membres ont observé la séparation hyperfine de l’antihydrogène à l’état fondamental avec une précision de 400 millionièmes.

Aujourd’hui, grâce à plusieurs avancées significatives, dont une technique novatrice permettant de produire 15 000 atomes d’antihydrogène en l’espace de quelques heures, les chercheurs d’ALPHA ont mesuré la séparation hyperfine de l’antihydrogène avec une précision de 4 millionièmes, soit une amélioration de deux ordres de grandeur.

« Cette nouvelle mesure est l’aboutissement de nombreuses années d’efforts, a déclaré Hangst. Nous essayons de déterminer avec précision la séparation hyperfine de l’antihydrogène depuis que nous avons démontré comment piéger des atomes d’antimatière en 2010. Aujourd’hui, un autre groupe de chercheurs à l’usine à antimatière, la collaboration ASACUSA, essaie aussi d’étudier cette importante transition. Leur technique, si sa démonstration s’avère concluante, pourrait permettre d’atteindre un niveau de précision encore supérieur. »

Avec le niveau actuel de précision atteint par la collaboration ALPHA, la mesure de la séparation hyperfine est sensible aux effets de la structure interne de l’antiproton au centre de l’atome d’antihydrogène. Ce résultat constitue donc une étape importante dans l’exploration approfondie de la nature de l’antimatière.