Des physiciens de l'Université Northwestern ont piégé un positon unique, le jumeau antimatière de l'électron, et l'ont maintenu pendant des mois tout en lisant ses états quantiques saut par saut.
Ces travaux, publiés dans Physical Review Letters le 21 octobre, décrivent le premier « cyclotron quantique à un positon ». Gerald Gabrielse, professeur de physique, a dirigé l'équipe ; Thomas Myers, doctorant dans son laboratoire, en est le premier auteur.
Pourquoi l'antimatière est difficile à retenir
Un positon disparaît dès qu'il rencontre la matière ordinaire. Pour en étudier un, il faut le ralentir, le capturer et le tenir à l'écart de toute surface. L'équipe a collecté des positons produits par désintégration radioactive, les a ralentis et a chargé une seule particule dans un piège de Penning : un ensemble de champs électriques et magnétiques à l'intérieur d'une enceinte à vide scellée.
Le chargement prend entre huit et onze heures. Une fois capturée, la particule est restée pendant des mois, ce qui rend possibles des mesures répétées.
Assez froid pour observer des sauts quantiques
Un réfrigérateur à dilution a refroidi le piège à environ 300 millikelvins, une fraction de degré au-dessus du zéro absolu. À cette température, le mouvement circulaire du positon se stabilise à son niveau quantique le plus bas, de sorte que chaque montée ou descente peut être provoquée par des micro-ondes et détectée comme un léger décalage de fréquence.
La même technique a demandé au groupe environ 20 ans pour être perfectionnée avec un électron unique. Le faire avec de l'antimatière ajoute un problème : le vide doit être suffisamment bon pour que la particule ne touche jamais un atome errant, et le piège doit rester stable pendant des mois sans réglage.
La mesure encore à venir
Le moment magnétique de l'électron a été mesuré à environ une partie sur dix mille milliards, l'un des chiffres les plus précis de la physique. Gabrielse prévoit désormais la même mesure pour le positon, puis une comparaison directe.
Cette comparaison teste la symétrie CPT, la règle selon laquelle matière et antimatière devraient se comporter de manière identique lorsque la charge, la parité et le temps sont inversés. Si les deux moments magnétiques diffèrent, l'écart pointerait vers une physique au-delà du modèle standard et pourrait aider à expliquer pourquoi l'univers est fait de matière avec presque plus d'antimatière.