La collaboration ALPHA au CERN a annoncé les premières mesures de certains effets quantiques dans la structure énergétique de l’antihydrogène, l’équivalent en antimatière de l’hydrogène. Ces effets quantiques sont connus pour ce qui concerne la matière, et leur étude pourrait révéler des différences encore non observées entre le comportement de la matière et celui de l’antimatière. D’après les résultats présentés dans un article publié aujourd’hui dans la revue Nature, ces premières mesures concordent avec les prédictions théoriques de ces effets dans l’hydrogène « ordinaire », et ouvrent la voie à des mesures plus précises de ces grandeurs et d’autres quantités fondamentales.

L’observation de toute différence entre ces deux formes de matière remettrait en cause les fondements du Modèle standard de la physique des particules. Ces nouvelles mesures portent sur des aspects des interactions dans l’antimatière – telles que le déplacement de Lamb – que nous voulions étudier depuis longtemps, souligne Jeffrey Hangst, porte-parole de l’expérience ALPHA.

Notre prochaine tâche consistera à refroidir de grands échantillons d’antihydrogène au moyen de techniques ultramodernes de refroidissement au laser. Ces techniques transformeront les études sur l’antimatière et permettront des comparaisons matière-antimatière d’une précision inégalée. »

L’équipe d’ALPHA crée des atomes d’antihydrogène en liant des antiprotons fournis par le Décélérateur d’antiprotons du CERN avec des antiélectrons, communément appelés « positons ». Les atomes d’antihydrogène ainsi produits sont ensuite confinés dans un piège magnétique sous ultra-vide, qui les empêche d’entrer en contact avec la matière et d’être annihilés. Une lumière laser est alors envoyée sur les atomes d’antihydrogène piégés, ce qui permet de mesurer la réponse spectrale de ces derniers. Cette technique constitue un moyen de mesurer des effets quantiques connus tels que la « structure fine » et le déplacement de Lamb, qui correspondent à de minuscules dédoublements dans certains niveaux d’énergie de l’atome. Avec cette étude, ces effets sont mesurés pour la première fois dans l’atome d’antihydrogène. L’équipe a utilisé précédemment cette approche pour mesurer d’autres effets quantiques dans l’antihydrogène, avec tout dernièrement une mesure de la transition Lyman-alpha.

La structure fine a été mesurée dans l’hydrogène atomique il y a plus d’un siècle ; c’est ce qui a permis l’introduction d’une constante fondamentale de la nature correspondant à l’intensité de l’interaction électromagnétique entre particules élémentaires chargées. Le déplacement de Lamb a été découvert dans le même système il y a environ 70 ans ; il a joué un rôle central dans le développement de l’électrodynamique quantique, qui est la théorie décrivant l’interaction de la matière et de la lumière.

La mesure du déplacement de Lamb, laquelle à valu à Willis Lamb le prix Nobel de physique en 1955, avait été annoncée en 1947 à la fameuse conférence de Shelter Island, qui était la première occasion après la guerre d’une réunion des figures les plus éminentes de la communauté de la physique des États-Unis.

Note technique :

La structure fine et le déplacement de Lamb sont de petits dédoublements se produisant dans certaines raies spectrales (niveaux d’énergie) d’un atome. Ces effets peuvent être étudiés par spectroscopie. Le dédoublement en structure fine du deuxième niveau d’énergie de l’hydrogène est une séparation se produisant entre les niveaux dits 2P3/2 et 2P1/2, en l’absence de champ magnétique. Ce dédoublement est produit par l’interaction entre la vitesse de l’électron de l’atome et sa rotation intrinsèque (quantique). Le déplacement de Lamb « classique » est le dédoublement entre les niveaux 2S1/2 et 2P1/2, également en l’absence d’un champ magnétique. C’est le résultat de l’effet sur l’électron de fluctuations quantiques associées à des photons virtuels se manifestant par intermittence dans un vide.

Dans cette nouvelle étude, l’équipe de recherche d’ALPHA a mesuré le dédoublement en structure fine et le déplacement de Lamb en provoquant puis en étudiant les transitions entre le niveau d’énergie le plus bas de l’antihydrogène et les niveaux 2P3/2 et 2P1/2 en présence d’un champ magnétique de 1 tesla. En s’appuyant sur la valeur de la fréquence d’une transition déjà mesurée précédemment, la transition 1S-2S, et en supposant que certaines interactions quantiques sont valables pour l’antihydrogène, les chercheurs ont déduit de leurs résultats les valeurs du dédoublement en structure fine et du déplacement de Lamb. Ils ont constaté que les valeurs ainsi déduites concordent avec les prédictions théoriques des dédoublements dans l’hydrogène « ordinaire », avec une marge d’incertitude expérimentale de 2 % pour le dédoublement en structure fine et de 11 % pour le déplacement de Lamb.

A propos du CERN
Le CERN, Organisation européenne pour la Recherche nucléaire, est l’un des plus éminents laboratoires de recherche en physique des particules du monde. Située de part et d’autre de la frontière franco-suisse, l’Organisation a son siège à Genève. Ses États membres sont les suivants : Allemagne, Autriche, Belgique, Bulgarie, Danemark, Espagne, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Israël, Italie, Norvège, Pays-Bas, Pologne, Portugal, République tchèque, Roumanie, Royaume-Uni, Serbie, Slovaquie, Suède et Suisse. Chypre et la Slovénie sont États membres associés en phase préalable à l’adhésion. La Croatie, l’Inde, la Lituanie, le Pakistan, la Turquie et l’Ukraine sont États membres associés. Les États-Unis d’Amérique, la Fédération de Russie, le Japon, le JINR, l’UNESCO et l’Union européenne ont actuellement le statut d’observateur.

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ALPHA collaboration at CERN reports first measurements of certain quantum effects in antimatter

The ALPHA collaboration at CERN has reported the first measurements of certain quantum effects in the energy structure of antihydrogen, the antimatter counterpart of hydrogen. These quantum effects are known to exist in matter, and studying them could reveal as yet unobserved differences between the behaviour of matter and antimatter. The results, described in a paper published today in the journal Nature, show that these first measurements are consistent with theoretical predictions of the effects in “normal” hydrogen, and pave the way for more precise measurements of these and other fundamental quantities.

“Finding any difference between these two forms of matter would shake the foundations of the Standard Model of particle physics, and these new measurements probe aspects of antimatter interaction – such as the Lamb shift – that we have long looked forward to addressing,” says Jeffrey Hangst, spokesperson for the ALPHA experiment.

“Next on our list is chilling large samples of antihydrogen using state-of-the-art laser cooling techniques. These techniques will transform antimatter studies and will allow unprecedentedly high-precision comparisons between matter and antimatter.”

The ALPHA team creates antihydrogen atoms by binding antiprotons delivered by CERN’s Antiproton Decelerator with antielectrons, more commonly called “positrons”. It then confines them in a magnetic trap in an ultra-high vacuum, which prevents them from coming into contact with matter and annihilating. Laser light is then shone onto the trapped atoms to measure their spectral response. This technique helps measure known quantum effects like the so-called fine structure and the Lamb shift, which correspond to tiny splittings in certain energy levels of the atom, and were measured in this study in the antihydrogen atom for the first time. The team previously used this approach to measure other quantum effects in antihydrogen, the latest being a measurement of the Lyman-alpha transition.

The fine structure was measured in atomic hydrogen more than a century ago, and laid the foundation for the introduction of a fundamental constant of nature that describes the strength of the electromagnetic interaction between elementary charged particles. The Lamb shift was discovered in the same system about 70 years ago and was a key element in the development of quantum electrodynamics, the theory of how matter and light interact.

The Lamb-shift measurement, which won Willis Lamb the Nobel Prize in Physics in 1955, was reported in 1947 at the famous Shelter Island conference – the first important opportunity for leaders of the American physics community to gather after the war.

Technical Note:

Both the fine structure and the Lamb shift are small splittings in certain energy levels (or spectral lines) of an atom, which can be studied with spectroscopy. The fine-structure splitting of the second energy level of hydrogen is a separation between the so-called 2P3/2 and 2P1/2 levels in the absence of a magnetic field. The splitting is caused by the interaction between the velocity of the atom’s electron and its intrinsic (quantum) rotation. The “classic” Lamb shift is the splitting between the 2S1/2 and 2P1/2 levels, also in the absence of a magnetic field. It is the result of the effect on the electron of quantum fluctuations associated with virtual photons popping in and out of existence in a vacuum.

In their new study, the ALPHA team determined the fine-structure splitting and the Lamb shift by inducing and studying transitions between the lowest energy level of antihydrogen and the 2P3/2 and 2P1/2 levels in the presence of a magnetic field of 1 Tesla. Using the value of the frequency of a transition that they had previously measured, the 1S–2S transition, and assuming that certain quantum interactions were valid for antihydrogen, the researchers inferred from their results the values of the fine-structure splitting and the Lamb shift. They found that the inferred values are consistent with theoretical predictions of the splittings in “normal” hydrogen, within the experimental uncertainty of 2% for the fine-structure splitting and of 11% for the Lamb shift.

About CERN
CERN, the European Organization for Nuclear Research, is one of the world’s leading laboratories for particle physics. The Organization is located on the French-Swiss border, with its headquarters in Geneva. Its Member States are: Austria, Belgium, Bulgaria, Czech Republic, Denmark, Finland, France, Germany, Greece, Hungary, Israel, Italy, Netherlands, Norway, Poland, Portugal, Romania, Serbia, Slovakia, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom. Cyprus and Slovenia are Associate Member States in the pre-stage to Membership. Croatia, India, Lithuania, Pakistan, Turkey and Ukraine are Associate Member States. The European Union, Japan, JINR, the Russian Federation, UNESCO and the United States of America currently have Observer status.

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