Dans un article paru dans Nature Communications, des chercheurs de l’expérience ALPHA auprès de l’Usine d'antimatière du CERN font état d'une nouvelle technique qui leur permet de produire en quelques heures plus de 15 000 atomes d'antihydrogène – la forme la plus simple de l’antimatière atomique.
« Ces chiffres auraient été considérés comme de la science-fiction il y a dix ans, souligne Jeffrey Hangst, porte-parole de l'expérience ALPHA. Si nous disposons plus facilement d'atomes d'antihydrogène en plus grand nombre, nous pourrons étudier l'antimatière atomique de manière plus détaillée et plus efficace. »
Pour créer de l’antihydrogène atomique, la collaboration ALPHA doit produire et piéger séparément des nuages d'antiprotons et de positons, puis les refroidir et les faire fusionner afin qu’ils forment des atomes d’antihydrogène (un positon en orbite autour d'un antiproton). Ce processus a été affiné et continument amélioré au fil des ans. Aujourd’hui, grâce à une technique pionnière de refroidissement des positons, l'équipe ALPHA a multiplié par huit la production d'atomes d'antihydrogène.
Ce progrès spectaculaire s’explique par la façon dont les positons sont préparés. Tout d'abord, ils sont recueillis à partir d'une forme radioactive de sodium et confinés dans ce que l'on appelle un piège de Penning, où des champs électromagnétiques finement réglés maintiennent les antiparticules en place. Cependant, les antiparticules ainsi piégées ne restent pas immobiles. Comme un tigre en cage, elles tournent dans l’espace du piège, ce qui leur fait perdre de l'énergie. Cela entraîne un refroidissement du nuage de positons, qui n’est cependant pas suffisant pour que ceux-ci puissent fusionner efficacement avec les antiprotons pour former des atomes d'antihydrogène. C’est pourquoi l'équipe ALPHA a tenté une nouvelle approche : ajouter au piège un nuage d'ions béryllium refroidis par laser, afin que les positons perdent de l'énergie par un processus appelé refroidissement sympathique.
Le nuage de positons est ainsi ramené à une température d'environ -266 °C, ce qui le rend beaucoup plus susceptible de former des atomes d'antihydrogène lorsqu'il est mélangé aux antiprotons. On arrive ainsi à accumuler plus de 15 000 atomes d'antihydrogène en moins de sept heures. Pour mettre cela en perspective, il a fallu 10 semaines à une expérience précédente pour accumuler les 16 000 atomes d'antihydrogène nécessaires à la mesure de la structure spectrale de l'antihydrogène avec une précision sans précédent. « Cette nouvelle technique change véritablement la donne s’agissant des incertitudes systématiques de nos mesures. Nous pouvons désormais accumuler de l'antihydrogène pendant la nuit et mesurer une raie spectrale le lendemain », explique Niels Madsen, porte-parole adjoint d'ALPHA et chef du projet de refroidissement des positons.
À l’aide de cette technique, l'expérience ALPHA a produit plus de 2 millions d'atomes d'antihydrogène au cours des périodes d'exploitation de 2023 et 2024. Cette année, les chercheurs utilisent le nombre record d'atomes d'antihydrogène pour étudier l'effet de la gravité sur l'antimatière dans le cadre de l'expérience ALPHA-g. Cette technique permettra d'effectuer des mesures encore plus précises et de mieux connaître les propriétés et le comportement de l'antimatière atomique.