La mesure de la structure hyperfine de l'antihydrogène atteint un nouveau record de précision

La collaboration ALPHA du CERN a récemment réalisé une nouvelle mesure de la structure hyperfine de l'état fondamental de l'antihydrogène. Les résultats montrent que la structure hyperfine de l'antihydrogène et celle de l'hydrogène ordinaire coïncident parfaitement à moins de quatre parties par million près, la précision de la mesure étant améliorée de deux ordres de grandeur par rapport aux expériences précédentes.

Dompteurs d'antihydrogène : membres de l'équipe ALPHA de l'Université de Calgary au Canada. Rangée arrière, de gauche à droite : Pouya Heidari, Reece Stefanyshyn, Abbygale Swadling, Filobateer Ghaly, Sean Wilson et Alberto Jesus Uribe Jimenez. Rangée avant : Jay Suh (à gauche) et Timothy Friesen. (Photo fournie par Jay Suh)

L'antihydrogène, formé par la combinaison d'un antiproton et d'un positron, est l'un des atomes d'antimatière les plus simples. Selon le modèle standard de la physique des particules, les particules de matière et leurs antiparticules correspondantes devraient posséder des propriétés identiques, à l'exception de leurs charges et moments magnétiques opposés. Cependant, l'antimatière est bien moins abondante que la matière dans l'univers, un phénomène qui demeure une question fondamentale non résolue de la physique moderne. Les mesures de haute précision sur l'antihydrogène sont considérées comme une voie essentielle pour rechercher d'éventuelles différences subtiles entre la matière et l'antimatière.

L'expérience a été menée sur le dispositif à antihydrogène ALPHA-2 installé dans l'installation de décélérateur d'antiprotons du CERN. Afin d'éviter l'annihilation de l'antihydrogène au contact de la matière ordinaire, les chercheurs ont confiné l'antimatière dans un piège de Penning-Malmberg cylindrique sous vide poussé, et l'ont maintenue en suspension à l'aide d'un puissant aimant supraconducteur.

Cette étude s'est concentrée sur la structure hyperfine de l'antihydrogène. Ce phénomène, qui résulte de l'interaction magnétique entre les spins de l'antiproton et du positron, divise l'état fondamental du positron dans l'atome d'antihydrogène en quatre sous-niveaux d'énergie. L'équipe ALPHA a appliqué des impulsions micro-ondes dans la bande de fréquences de 28 GHz à 31 GHz pour induire des transitions de retournement de spin du positron entre les niveaux d'énergie concernés, et a calculé l'énergie de la structure hyperfine à partir de ces mesures.

Timothy Friesen, chercheur à l'Université de Calgary au Canada, a indiqué que l'équipe avait porté la précision de la mesure de la structure hyperfine de l'antihydrogène à 4 ppm sous un champ magnétique de 1 tesla, faisant de cette comparaison de symétrie matière-antimatière entre l'antihydrogène et l'hydrogène ordinaire l'une des plus précises jamais réalisées.

Les chercheurs soulignent que, bien que cette précision soit suffisante pour atteindre un domaine de mesure sensible à la structure de l'antiproton, elle reste encore en deçà des mesures correspondantes effectuées sur l'hydrogène ordinaire. Les résultats actuels ne montrent aucune différence entre l'antihydrogène et l'hydrogène, et les modèles physiques existants restent cohérents avec les données expérimentales. L'équipe prévoit ensuite de tenter d'induire des transitions de retournement de spin de l'antiproton et de combiner cela avec un refroidissement laser des échantillons d'antihydrogène, afin de réduire les erreurs dues aux inhomogénéités du champ magnétique et à la largeur de raie spectrale, et d'améliorer encore la précision des mesures.