Des physiciens de Northwestern piègent un positron unique dans un cyclotron quantique
L'appareil de table à antimatière pourrait tester les prédictions du Modèle standard trente fois plus précisément que les expériences précédentes
Par Giovanni Sapere
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Des physiciens de l'université Northwestern ont démontré le premier cyclotron quantique à un seul positron, parvenant à isoler une particule d'antimatière unique dans un piège cryogénique pendant des mois. Cette avancée fournit un outil pour vérifier si matière et antimatière obéissent à des lois physiques identiques sous les symétries fondamentales. En suivant les états quantiques de la particule, les chercheurs espèrent sonder une physique au-delà du Modèle standard.
Combler l'écart de précision dans les tests sur l'antimatière
Selon le Modèle standard de la physique des particules, les lois fondamentales reposent sur la symétrie CPT, un principe d'invariance selon lequel la physique reste inchangée si la charge, la parité et le temps sont inversés simultanément. Selon ce principe, le positron, contrepartie antimatière de l'électron, doit posséder un moment magnétique intrinsèque strictement égal en grandeur et opposé en signe à celui de l'électron. Alors que la physique expérimentale a mesuré le moment magnétique de l'électron avec une précision extraordinaire de 1 partie sur 10 000 milliards, les comparaisons avec le positron sont restées en retard de plusieurs ordres de grandeur, rapporte Phys.org. Cet écart technique tient à la difficulté d'isoler des positrons dans un environnement ultra-froid et non perturbé, ce qui alimente une invention scientifique continue dans les tests de haute précision.
Concevoir le cyclotron quantique à un seul positron
Pour surmonter cet obstacle, une équipe de recherche dirigée par le physicien et inventeur Gerald Gabrielse à l'université Northwestern a mis au point un dispositif expérimental décrit dans Physical Review Letters par T. G. Myers et ses collègues. Des positrons émis à grande vitesse par une source de sodium radioactive ont été considérablement ralentis avant d'entrer dans la zone de confinement. Les chercheurs ont apparié chaque positron entrant avec un électron pour assembler un atome électriquement neutre de positronium, ensuite dissocié directement à l'intérieur du piège afin d'isoler la particule d'antimatière unique, selon Phys.org. L'antiparticule isolée a été capturée dans un piège de Penning spécialisé, un appareil de laboratoire utilisant des champs magnétiques et électriques combinés pour maintenir un mouvement orbital circulaire.
États quantiques et lecture non destructive
L'ensemble du piège a été refroidi à une fraction de degré au-dessus du zéro absolu, amenant la particule piégée à son niveau d'énergie orbitale cyclotron le plus bas. Dans ces conditions cryogéniques, l'énergie du positron se divise en paliers quantiques discrets. L'innovation scientifique repose sur l'application d'impulsions micro-ondes pour manipuler le positron entre différents états d'énergie et induire des retournements de spin, comme le documente Phys.org. Plutôt que de détruire la particule pendant l'observation, les chercheurs lisent les transitions de spin et orbitales en mesurant de subtiles variations de son mouvement oscillatoire axial à l'intérieur du piège.
Ce qu'il faut suivre dans la mesure de précision de l'antimatière
Parce que l'architecture de confinement peut stocker un positron solitaire pendant plusieurs mois sans perturbation, le dispositif expérimental fonctionne comme un prototype de laboratoire robuste pour la spectroscopie de l'antimatière à long terme. L'équipe prévoit que les prochaines mesures amélioreront l'évaluation du moment magnétique du positron d'environ 30 fois, comblant l'écart historique de précision avec les références de l'électron, selon Phys.org. Si de futurs essais révèlent un écart entre les moments magnétiques de l'électron et du positron, le résultat offrirait une preuve empirique directe de mécanismes physiques au-delà du Modèle standard et éclairerait pourquoi la matière domine l'antimatière dans l'espace.
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