La collaboration internationale AEgIS (Antimatter Experiment: gravity, Interferometry, Spectroscopy) au CERN, à laquelle participe le Professeur Giovanni Consolati du Département des Sciences et Technologies Aérospatiales pour le compte du Politecnico di Milano, a récemment mis en évidence, de manière expérimentale, le refroidissement au laser du positronium (Ps) en utilisant un système laser spécifique (à base d’alexandrite), conçu pour répondre aux exigences de refroidissement : haute intensité, large bande passante et longue durée d’impulsion.
La température équivalente des atomes de Ps sortant d’une cible poreuse (à température ambiante) frappée par un faisceau de positons a chuté de 380 K à 170 K, ce qui correspond à une diminution de la composante transversale de la vitesse rms du Ps de 54 km/s à 37 km/s.
Le positronium, un acteur clé de l’expérience
Le positronium est souvent considéré comme le petit frère de l’hydrogène, avec un positron remplaçant le proton. Par conséquent, il est environ 2000 fois plus léger que l’hydrogène et ses niveaux d’énergie sont réduits de moitié. Cependant, le Ps est instable : dans le vide et dans l’état fondamental, avec des spins parallèles des deux particules, il s’annihile avec une durée de vie de seulement 142 ns. Le refroidissement du Ps doit donc se produire pendant cette courte période de vie, ce qui rend le processus particulièrement délicat par rapport aux atomes ordinaires.
L’utilisation d’un laser pulsé à large bande passante présente l’avantage de refroidir une grande fraction du nuage de positronium tout en augmentant leur durée de vie effective, résultant également en un nombre plus élevé de Ps après refroidissement pour de futures expérimentations.
Implications pour la physique fondamentale
La disponibilité d’atomes de Ps suffisamment ‘froids’ revêt une importance capitale pour la science fondamentale, par exemple pour la spectroscopie de précision des niveaux d’énergie excités du Ps permettant de tester l’électrodynamique quantique avec une précision sans précédent, ou pour tester le principe d’équivalence avec un système purement leptonique.
De plus, la possibilité de créer un ensemble d’atomes de Ps froids pourrait ouvrir la voie à la première condensation de Bose-Einstein d’antimatière (BEC, déjà obtenue par refroidissement laser d’atomes ordinaires), un état dans lequel les phénomènes mécaniques quantiques se manifestent de manière macroscopique. Un BEC de positronium pourrait entraîner une annihilation stimulée, qui a été proposée comme moyen de produire un rayonnement électromagnétique cohérent dans la gamme des énergies des rayons gamma.
En synthèse
Les travaux menés par l’équipe internationale AEgIS au CERN marquent une étape significative dans l’étude de l’antimatière. Le refroidissement réussi des atomes de Ps ouvre non seulement des perspectives pour des expériences de physique fondamentale plus précises, mais pose également les bases pour des avancées potentielles telles que la création d’un condensat de Bose-Einstein d’antimatière.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que le positronium et en quoi est-il important pour la physique ?
Le positronium est un système composé d’un électron et d’un positron. Il est crucial pour tester les théories fondamentales de la physique, comme l’électrodynamique quantique, et pour étudier les propriétés de l’antimatière.
Pourquoi refroidir le positronium est-il un défi ?
Le refroidissement du positronium est difficile en raison de sa très courte durée de vie et de sa tendance à s’annihiler rapidement. Le processus doit être effectué rapidement et avec précision.
Quel est l’objectif de l’expérience AEgIS au CERN ?
L’expérience AEgIS vise à mesurer l’accélération gravitationnelle de l’antihydrogène pour tester le principe d’équivalence faible pour l’antimatière.
Quelles sont les implications du refroidissement du positronium ?
Des atomes de Ps froids permettent des mesures plus précises en spectroscopie et pourraient aider à tester le principe d’équivalence avec une précision inégalée.
Qu’est-ce que la condensation de Bose-Einstein d’antimatière ?
La condensation de Bose-Einstein d’antimatière est un état de la matière où les phénomènes quantiques deviennent macroscopiques. Elle pourrait permettre de nouvelles formes de rayonnement électromagnétique et de comprendre mieux les propriétés de l’antimatière.
Références
Légende illustration : Refroidissement au positronium – Crédit : CERN – Politecnico di Milano
Article : « Positronium Laser Cooling via the 13S−23P Transition with a Broadband Laser Pulse » – DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.083402
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