Comment un laser des années 1970 pourrait aider l’équipe du physicien Nick Hutzler à résoudre le mystère de l’antimatière.
Parfois, seul un laser vieux de 50 ans fait l’affaire.
Nick Hutzler (BS ’07), professeur adjoint de physique à Caltech, explique que le laser à colorant accordable Coherent 599 sur cette photo, fabriqué en 1977, est un outil étonnamment utile pour une première étape de l’analyse par son laboratoire des excitations électroniques dans trois espèces de molécules contenant des métaux : l’ytterbium, le strontium et l’hydroxyde de radium. Les chercheurs espèrent que leurs expériences révéleront un jour une nouvelle force fondamentale (ou plusieurs) qui expliquera pourquoi l’univers est presque entièrement constitué de particules de matière et non d’antimatière.
Ce mystère physique trouve son origine dans une découverte vieille de près de 100 ans faite au laboratoire aéronautique Guggenheim de Caltech, qui jouxte le bâtiment abritant le laboratoire de Hutzler au sein du laboratoire de physique George W. Downs et du laboratoire de physique des hautes énergies Charles C. Lauritsen.
En 1932, Carl Anderson (BS ’27, PhD ’30), alors professeur assistant à Caltech, a observé pour la première fois une particule d’antimatière, le positron, dans un laboratoire situé au troisième étage de Guggenheim. Les positrons sont identiques aux électrons, sauf qu’ils ont une charge positive au lieu d’une charge négative. Cependant, ils n’existent qu’en quantités infimes dans l’univers, malgré les prédictions théoriques selon lesquelles la matière et l’antimatière auraient dû être créées en quantités presque égales après le big bang.
La découverte d’Anderson a modifié notre vision de l’univers et lui a valu le prix Nobel de physique en 1936. Depuis, les physiciens se demandent ce qu’il est advenu de ces particules de positron et d’antimatière après le big bang.
« Si l’on se rend au CERN, en Suisse, et que l’on utilise le Grand collisionneur de hadrons pour écraser des particules et utiliser l’énergie pour créer de nouvelles particules, on obtient des particules de matière et d’antimatière dans les mêmes proportions », explique M. Hutzler. « Mais il est clair qu’il s’est passé quelque chose qui a fait que nous avons obtenu beaucoup plus de l’une que de l’autre, et nous ne savons pas de quoi il s’agit ».
La chasse aux asymétries
Le modèle standard de la physique des particules indique que les particules de matière doivent se comporter de manière symétrique dans les champs électromagnétiques, c’est-à-dire qu’elles doivent interagir avec les champs électriques comme si elles étaient parfaitement rondes, sans distribution asymétrique des charges. « Une façon d’expliquer l’absence d’antimatière serait donc que les particules de matière ordinaires, qui sont faciles à étudier en laboratoire par rapport à l’antimatière, présentent une légère asymétrie dans la façon dont elles réagissent individuellement à un champ électrique », précise M. Hutzler. « Nous essayons d’observer ces violations de symétrie qui ne pourraient s’expliquer que par des particules et des forces fondamentales non découvertes, c’est-à-dire en dehors du modèle standard. »
Après avoir créé les molécules d’hydroxyde d’ytterbium, de strontium et de radium pour leurs expériences, l’équipe de Hutzler utilise le laser à colorant Cohérent pour exciter les électrons des molécules. Comme le laser à colorant émet de la lumière sur une large bande passante, l’équipe peut capturer une large gamme du spectre d’excitation électronique en une seule fois, bien qu’avec une faible résolution. Les électrons restent dans cet état d’excitation pendant quelques nanosecondes avant de redescendre à l’état fondamental et d’émettre de la lumière à la même longueur d’onde ou à une longueur d’onde différente.
Les lasers à large bande sont tombés en désuétude, explique M. Hutzler, car les chercheurs préfèrent souvent se concentrer sur une gamme de fréquences plus spécifique à une résolution plus élevée en utilisant des lasers à bande étroite. « Cela peut paraître étrange, mais la raison pour laquelle nous aimons ce laser est qu’il est vraiment mauvais », ajoute M. Hutzler. En d’autres termes, si l’équipe utilisait un laser à bande étroite plus répandu à ce stade, elle devrait procéder à une série de balayages pour couvrir la même plage.
L’équipe utilisera ultérieurement des lasers à bande passante étroite pour effectuer des mesures plus précises une fois qu’elle aura identifié les caractéristiques spectrales qu’elle souhaite étudier plus avant pour en savoir plus sur le comportement des électrons qui ont émis la lumière.
Des particules non découvertes ?
En 1967, le physicien russe Andrei Sakharov a proposé que la particule ou la force non encore découverte à l’origine du traitement préférentiel entre la matière et l’antimatière dans l’univers pourrait également modifier les propriétés électromagnétiques de la matière ordinaire. Et c’est le physicien de Caltech et lauréat du prix Nobel Richard Feynman qui a compris plus tard que toutes les particules subatomiques, y compris celles qui n’avaient pas encore été découvertes, devaient exister dans un nuage de particules virtuelles entourant l’électron.
« Ainsi, cette différence de traitement entre la matière et l’antimatière fait que les particules de matière telles que les électrons interagissent avec les champs électriques, par exemple, d’une manière qui viole la symétrie », indique encore M. Hutzler. « Ce qui se passe en réalité, c’est que le champ électromagnétique interagit avec cette particule violant la symétrie, qui n’a pas été découverte, dans le nuage autour de l’électron, et qu’il lui fait subir quelque chose de très particulier. »
On espère qu’une analyse plus poussée permettra de découvrir ces violations de symétrie dans les caractéristiques des électrons, telles que l’orientation du spin. « En fin de compte, nous identifions une caractéristique particulière du spectre qui devrait être très sensible à l’effet que nous recherchons, puis nous étudions cette caractéristique aussi précisément que possible », ajoute M. Hutzler. « Par exemple, le changement de l’inclinaison du spin des électrons dans la molécule modifie-t-il les niveaux d’énergie ? Le modèle standard répondrait par la négative, mais les nouvelles particules et forces que nous recherchons répondraient par l’affirmative. »
L’idée de combiner ce laser avec l’approche de mesure est venue de Timothy Steimle, visiteur en physique à Caltech et professeur émérite de chimie à l’université d’État de l’Arizona. M. Hutzler explique que son équipe a beaucoup appris de la communauté des chimistes, qui a connu un regain d’intérêt pour l’étude de la structure de ces types de molécules contenant des métaux.
Le groupe de M. Hutzler est inhabituel dans le domaine de la physique des particules, car ses tests ne nécessitent pas le type d’accélérateurs de particules massifs que l’on trouve au Fermilab et au CERN. « L’un de nos principaux arguments de vente est que tout cela est petit », précise-t-il. « Tout est à l’échelle du laboratoire.
Mais que se passe-t-il si le laser, vieux de 50 ans, tombe en panne ? « Ce n’est pas un instrument très précis », conclut M. Hutzler. « Nous avons eu des miroirs et des montures qui se sont cassés, et nous nous sommes contentés de regarder à l’œil et de fabriquer une nouvelle pièce, ce que nous ne pourrions pas faire pour un laser moderne. S’il le fallait vraiment, nous pourrions probablement en construire un tout nouveau ».
Source : Caltech Magazine
