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Masaaki Horie travaille dans la division de spectroscopie laser, Institut Max Planck pour l’optique quantique, Garching D-85748, Allemagne

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Le modèle standard de physique des particules contient la particularité fondamentale que les phénomènes microscopiques ne devraient pas changer lorsqu’ils sont hypothétiquement transformés de certaines manières. L’une de ces contraintes fondamentales est appelée symétrie CPT. Cela signifie que si toute la matière de l’univers est simultanément remplacé par l’antimatière et converti en image inversée, l’écoulement du temps est inversé, il ne sera pas possible de distinguer l’univers hypothétique issu de notre univers au niveau microscopique Le principe d’équivalence sur lequel repose la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein prédit que la matière et l’antimatière tombent sur Terre avec la même accélération

Ces deux limitations sont si fondamentales qu’il serait difficile de formuler une compréhension cohérente de la nature sans elles, mais il vaut la peine d’examiner si ces mesures tiennent vraiment dans les mesures ultra-précises réalisées avec les dernières technologies, car l’écart, aussi petit soit-il, obligera les scientifiques à repenser radicalement les bases de nos théories en physique Writing in Nature, Baker et al.1 (membres de la collaboration ALPHA) ont rapporté une étape majeure vers cet objectif – ils ralentissent la vitesse des atomes d’antihydrogène – le pendant de la matière antihydrogène – à des vitesses sans précédent en se baignant dans un faisceau de lumière laser ultraviolette. Cela peut permettre d’effectuer des mesures des atomes avec une très grande précision

L’antihydrogène est l’atome stable le plus simple constitué uniquement de particules d’antimatière, c’est-à-dire l’anti-proton et l’anti-électron (positron). Par conséquent, les mesures d’antihydrogène constituent un moyen idéal de tester la cohérence entre la matière et l’antimatière, mais de telles expériences présentent d’énormes En 1995, cela a été fait. La production de 11 atomes d’antihydrogène à partir de réactions dans un accélérateur de particules du CERN, un laboratoire de physique des particules en Europe près de Genève, en Suisse, et un tube à vide de 10 mètres de long a été poussé à une vitesse de neuf dixièmes de lumière 2 Chaque atome existait depuis quelques dizaines de nanosecondes avant d’être détruit en frappant le détecteur de particules

Une grande partie des recherches qui ont suivi sur l’antihydrogène a impliqué la mise au point de nouvelles méthodes pour produire des échantillons d’atomes se déplaçant plus lentement. Cela a finalement été accompli en confinant et en mélangeant des nuages ​​d’antiprotons et de positrons dans des champs magnétiques qui agissent comme des pièges à ions pour produire des atomes d’antihydrogène. Ensuite, les atomes ont été confinés en créant un autre complexe de champs magnétiques qui a agi comme un piège à atomes neutres. fréquence, qui correspond à l’énergie de transition atomique caractéristique, 5 avec une précision fractionnaire de deux parties en 1012 aucun écart par rapport à la fréquence correspondante de l’hydrogène n’est observé, ce qui est exactement le résultat attendu de la symétrie CPT

Une limitation majeure de ces expériences vient du fait que bien que les atomes d’antihydrogène étudiés soient beaucoup plus lents que les premiers atomes produits il y a 25 ans, ils se déplacent toujours au hasard à l’intérieur du piège magnétique, à des vitesses allant jusqu’à 300 kilomètres par heure d’échantillons. des atomes plus lents sont nécessaires pour atteindre une résolution plus élevée, et pour faciliter les futures expériences sur la chute libre gravitationnelle de l’antihydrogène, des problèmes similaires affectent certaines conceptions proposées pour les ordinateurs quantiques, où les ions piégés doivent rester presque constants avant de pouvoir être traités avec un laser pour stocker des pièces. Quantité d’informations

Les atomes d’hélium anti-proton stables, dans lesquels l’un des deux électrons d’un atome d’hélium est remplacé par un anti-proton, sont ralentis en les immergeant simplement dans un gaz d’une substance plus froide Mais cette approche ne serait pas pratique pour les atomes d’antihydrogène car ils seraient anéantis instantanément dans la matière – la réaction de l’antimatière. En revanche, un faisceau de lumière peut exercer une force mécanique à la fois sur la matière 8-13 et sur l’antimatière, sans provoquer l’annihilation de cette dernière. Un pointeur laser portable rouge ou vert émet généralement entre 1015 et 1016 photons laser par seconde, mais l’élan que chaque photon peut transmettre est si petit qu’il est difficile de détecter la pression que cette lumière exerce sur les objets du quotidien, cependant, la masse d’un un seul atome d’antihydrogène est petit Très (17 x 10-24 grammes) peut changer sa vitesse d’environ 12 kilomètres par heure chaque fois qu’il absorbe un photon laser avec une longueur d’onde ultraviolette de 1216 nm

Dans leur présente étude, Baker et al.utilisaient un laser soigneusement réglé le long d’une longueur d’onde qui ne faisait que piéger les atomes d’antihydrogène se déplaçant vers le laser pour absorber et ralentir les photons (Fig.1) La sélectivité d’absorption provient d’un type d’effet Doppler 9, 9 subi par les atomes – Un effet qui fait que la lumière du faisceau laser se déplace vers des longueurs d’onde plus courtes. La longueur d’onde changeante est complètement identique à l’énergie du photon que les atomes doivent absorber, et cette absorption a conduit les atomes à passer de leur état de base à l’état d’excitation, puis les atomes sont automatiquement revenus à l’état fondamental en émettant un photon.Un autre dans une direction aléatoire les auteurs notent que quelques dizaines de ces processus d’absorption ralentissent une fraction de les atomes de l’échantillon à moins de 50 kilomètres par heure. Cette diminution de vitesse correspond au refroidissement des atomes

Figure 1 | Refroidissement Doppler des atomes d’antihydrogène Becker et ses collègues 1 ont capturé des atomes d’antihydrogène – les atomes stables les plus simples constitués uniquement de particules d’antimatière – à l’aide de champs magnétiques, ces atomes se déplacent à grande vitesse à l’intérieur du piège. Les atomes et les impulsions laser sont largement visibles a, les atomes se déplaçant vers le laser sont soumis à un effet Doppler qui raccourcit la longueur d’onde apparente de la lumière interagissant avec les atomes; La longueur d’onde résultante correspond exactement à l’énergie photonique que les atomes peuvent absorber. Le photon absorbe les atomes simultanément et les ralentit (les refroidit). B, les atomes s’éloignant du laser sont exposés à l’effet Doppler opposé, augmentant la longueur d’onde apparente de la lumière UV, les atomes ne peuvent pas absorber les photons à cette longueur d’onde, de sorte que le faisceau laser passe à travers les atomes sans provoquer d’accélération indésirable

En revanche, les atomes qui se sont éloignés du laser ont été soumis à l’effet Doppler opposé: la longueur d’onde de la lumière semblait s’être éloignée de celle requise pour l’absorption du photon, donc la lumière a traversé les atomes en retraite, évitant ainsi leur accélération indésirable une fois les atomes d’antihydrogène correctement refroidis. Les auteurs l’ont irradié avec une paire de lasers anti-diffusion pour exciter une transition atomique caractéristique due à la faible vitesse des atomes, la raie correspondant à cette transition dans le spectre atomique était quatre fois plus raide que celle observée pour les atomes sans refroidissement par laser. Cela permettra aux chercheurs de faire des comparaisons futures des transformations atomiques caractéristiques de l’hydrogène et de l’hydrogène. Antagoniste avec une précision plus élevée qu’auparavant

L’une des limites de la méthode rapportée est la difficulté de créer 121 lumière laser de 6 nm d’intensité suffisante pour refroidir efficacement les atomes d’antihydrogène. Becker et ses collègues ont utilisé un train d’impulsions laser d’une puissance moyenne de nanowatt, ce qui signifie que chaque atome nécessitait plusieurs heures pour absorber les dizaines de photons nécessaires. Pour un excellent refroidissement Les auteurs prévoient d’augmenter la puissance du laser dans les futures expériences afin d’accélérer le processus. Une autre approche pourrait consister à utiliser des lasers continus plutôt que des lasers pulsés.

Enfin, comme le refroidissement du laser entraîne une plus grande concentration d’atomes plus lents au champ magnétique minimum du piège à atomes neutres, il peut permettre la production de nuages ​​d’antihydrogène plus denses que ce qui est actuellement possible. Cela améliorera encore la précision de les mesures dans de futures expériences.

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Ekema, KSH, Walz, & Hänsch, T W. Phys Rev. Prefix Letter 86, 5679-5682 (2001)

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ISSN 1476-4687 (en ligne)

Antimatière, Anti-Hydrogène, Laser, Atome, Physique, CERN, Refroidissement Laser, Matière

News – CA – Antimatière refroidie par lumière laser

Source: https://www.nature.com/articles/d41586-021-00786-6

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