Les physiciens de l’Université Northwestern ont retenu un seul positon – le jumeau antimatière de l’électron – dans un piège pendant des mois et l’ont manipulé un saut quantique à la fois. Ils appellent leur configuration un « cyclotron quantique à un positon ».
L’antimatière est difficile à étudier car elle se détruit au contact de la matière ordinaire.
Un positon qui touche la paroi d’un récipient s’annihile avec un électron et disparaît.
Le professeur Gerald Gabrielse de l’Université Northwestern et ses collègues ont évité ce problème en suspendant le positon dans un piège de Penning, qui utilise des champs électriques et magnétiques pour maintenir une particule au milieu d’un vide vide, presque parfait. Le piège a été refroidi à environ 0,3 degré au-dessus du zéro absolu.
« Si vous prenez un électron et un antiélectron (ou un positron) et que vous les faites entrer en collision, ils disparaissent tous les deux », a déclaré le professeur Gabrielse.
« Nous décrivons cela comme un anéantissement, un concept qui alimente l’imagination des écrivains de science-fiction. »
« Le grand mystère de l’Univers est que le Big Bang aurait dû créer des quantités égales de matière et d’antimatière. »
« Mais si c’était vrai, cela s’anéantirait et nous nous retrouverions sans rien. »
« Il y a clairement quelque chose qui ne va pas dans cette théorie, et c’est ce que nous essayons de comprendre. »
La source de particules d’antimatière de l’équipe était le sodium-22, un isotope radioactif dont la désintégration émet des positrons avec une grande énergie.
Les chercheurs en ont ralenti un et l’ont chargé dans le piège, un processus qui prend 8 à 11 heures avec leur source simple et de faible intensité.
Ils l’ont ensuite refroidi dans son état d’énergie cyclotron le plus bas, l’équivalent en mécanique quantique du barreau le plus bas d’une échelle.
À l’aide de micro-ondes réglées, ils ont poussé le positron vers le haut de cette échelle et ont inversé sa rotation, observant chaque changement à travers de minuscules changements dans la fréquence à laquelle la particule oscille. L’ampleur de ces déplacements indiquait également qu’un seul positon se trouvait dans le piège.
« Nous le refroidissons tellement qu’il se trouve dans son état quantique fondamental », a déclaré le professeur Gabrielse.
« En fait, nous avons persuadé ce positon très rapide de rester là et de se comporter pendant des mois. »
Le modèle standard prédit que les électrons et les positrons devraient être des images miroir parfaites, un principe connu sous le nom de symétrie CPT.
Un décalage entre les deux moments magnétiques montrerait que la théorie est incomplète.
Cela pourrait également aider à expliquer pourquoi l’Univers contient tellement plus de matière que d’antimatière, alors que le Big Bang aurait dû en produire des quantités égales.
« Les théories actuelles suggèrent qu’il n’y aura aucune différence entre les deux mesures », a déclaré le professeur Gabrielse.
« S’il s’avérait qu’ils ne sont pas égaux, ce serait la plus grande découverte en physique du siècle dernier. »
Avec une optimisation plus poussée, une mesure des positrons correspondant à la précision de l’électron semble désormais réalisable.
« Cela permettrait de tester l’invariance fondamentale de la symétrie CPT du modèle standard avec plus de 30 fois plus de précision que ce qui a été possible dans le secteur des leptons », ont déclaré les auteurs.
