Résumé :
Une équipe de physiciens de l'Université Northwestern a récemment réalisé une avancée majeure dans le domaine des expériences en physique des particules. Pour la première fois, l’équivalent antimatière de l’électron, le positron, a été guidé et contrôlé de manière stable dans un état quantique précis, puis suspendu et emprisonné dans un environnement de vide extrême proche du zéro absolu pendant plusieurs mois. Ce résultat de recherche, publié dans Physical Review Letters, a permis de construire le premier « cyclotron quantique à positon unique » au monde et a ouvert une nouvelle voie expérimentale permettant à l'humanité d'explorer le mystère de la rétention de matière dans l'univers.
Dans la physique moderne, bien que le modèle standard décrit les particules élémentaires et trois des quatre forces d'interaction fondamentales avec une extrêmement grande précision, il n'a jamais été en mesure de répondre à une énigme fondamentale : selon les déductions théoriques, le Big Bang aurait dû produire des quantités égales de matière et d'antimatière. Lorsque les deux se rencontreront, ils seront instantanément anéantis et réduits à néant. Cependant, en réalité, l’univers observable est presque entièrement composé de matière positive, et les étoiles, les planètes et même les humains peuvent survivre. Gerald Gabrielse, responsable de la recherche, a déclaré que cela montre que le modèle standard existant présente encore des défauts majeurs ou est incomplet. L’équipe de recherche scientifique espère réaliser des percées dans la théorie existante grâce à un examen ultra-précis des systèmes de particules les plus élémentaires.
Étant donné que l'antimatière sera immédiatement annihilée une fois qu'elle entrera en contact avec la paroi d'un conteneur de matière conventionnel, il est extrêmement difficile de la conserver pendant une longue période. L’équipe de recherche a d’abord obtenu des positrons de haute énergie issus de la désintégration radioactive de l’isotope rare sodium-22, les a considérablement ralentis et les a introduits dans un piège électromagnétique spécialement conçu. Ils ont utilisé des champs électriques et magnétiques spéciaux pour les suspendre et les isoler dans un environnement de vide presque parfait, les isolant complètement du contact avec la matière ordinaire du monde extérieur. Dans le même temps, les scientifiques ont maintenu un environnement à température ultra-basse d'environ 300 millikelvins à l'intérieur du piège, soit seulement 0,3 degrés Celsius au-dessus du zéro absolu, et ont réussi à refroidir les positrons se déplaçant à grande vitesse jusqu'à l'état fondamental quantique le plus bas, les rendant docilement stationnaires comme des atomes artificiels et montrant des niveaux d'énergie quantique clairs. Sur cette base, l’équipe a utilisé des micro-ondes finement réglées pour injecter une petite quantité d’énergie afin de déclencher et d’observer avec précision la transition des positrons entre différents états quantiques.
Auparavant, l'équipe de Gabriels avait utilisé un « cyclotron quantique à électron unique » pour mesurer le moment magnétique des électrons (une quantité physique qui mesure la force de l'interaction entre les particules et les champs magnétiques) avec une précision étonnante d'une partie sur dix mille milliards. Après avoir étendu avec succès le même niveau de technologie de manipulation quantique à une seule particule d'antimatière, le prochain objectif de l'équipe est de mesurer le moment magnétique du positron avec la même précision. Selon les prédictions actuelles de la théorie physique, les moments magnétiques des électrons et des positrons devraient être exactement égaux en amplitude et opposés en direction. Gabriels a souligné que si même une différence extrêmement petite dans les valeurs du moment magnétique entre les deux était trouvée dans les comparaisons de précision ultérieures, cela ébranlerait directement les fondements du modèle standard. Elle devrait non seulement révéler le mécanisme profond du déséquilibre entre la matière et l'antimatière dans l'univers, mais elle deviendra également la découverte scientifique la plus importante en physique du siècle dernier.
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