ALPHA-g estime l’accélération de la gravité sur un atome d’antihydrogène

Dans la gravitation d’Einstein, la « charge » gravitationnelle est la densité d’énergie et le moment linéaire, au lieu de la masse comme dans la théorie de Newton. Ensuite, chaque particule ayant une énergie cinétique positive se déplace le long d’une géodésique. On sait depuis la découverte de l’antimatière en 1932 que les antiparticules ont une énergie cinétique positive, comme les particules. Il n’y a donc aucune différence entre la chute libre d’un atome et celle d’un antiatome. En science, tout doit être prouvé par une expérience, en l’occurrence l’universalité de la chute libre. Il est publié dans Nature que l’expérience ALPHA-g au CERN a étudié la chute libre d’atomes d’antihydrogène (formés d’un antiproton et d’un positon). Ils ont stocké des atomes d’antihydrogène dans un piège de Penning avec des champs magnétiques ; Avec ledit piège verticalement, ils les libèrent sous l’accélération de la Terre, pour compter le nombre d’antiatomes qui tombent vers le bas et ceux qui “tombent vers le haut”. La partie compliquée consiste à réduire à zéro les champs magnétiques du piège. Les expériences montrent que les atomes d’antihydrogène tombent de la même manière que les atomes d’hydrogène, sans aucune différence. Une expérience simple mais qui nécessite une grande expertise technique.

Peut-être avez-vous lu que ce type d’expériences est nécessaire pour vérifier le principe d’équivalence newtonien entre la « masse inertielle » et la « masse gravitationnelle ». La différence entre ces concepts newtoniens n’a aucun sens en physique relativiste. Malgré cela, de nombreux physiciens et astrophysiciens ont spéculé dans des articles scientifiques avec l’idée que le rapport entre la masse inertielle (m) et la masse gravitationnelle (m_g) mer m/m_g = −1 pour l’antimatière et m/m_g = +1 pour la matière ; Dans ce cas, lors de la chute libre d’un antiatome, on observerait un mouvement dans la direction opposée à celle d’un atome. Mais rappelez-vous que si tel était le cas, nous le saurions depuis des décennies, puisque la différence aurait été observée dans les rayons cosmiques (qui ont servi à découvrir le positon en 1932). Aucune différence n’a jamais été observée, mais cette observation est considérée comme indirecte. L’expérience ALPHA-g a permis d’observer directement que l’antihydrogène se comporte comme l’hydrogène en chute libre, comme le prédit le principe d’équivalence einsteinien. Douter de tout fait partie intrinsèque de la science. Ce type d’expériences doit donc être réalisé.

Certains médias affirment que ces types d’expériences constituent la première étape vers une compréhension de la gravitation quantique au-delà du modèle standard. Ne soyez pas confus, ce n’est pas vrai. Ces types d’expériences ne peuvent fournir aucune information pertinente pour la découverte de la future théorie quantique de la gravitation. L’article est EK Anderson, CJ Baker,…, JS Wurtele, « Observation of the effect of gravitation on the motion of antimatter », Nature 621 : 716-722 (27 septembre 2023), doi : https://doi.org/10.1038/s41586-023-06527-1; informations divulguées sur Anna Soter, « L’antihydrogène en chute libre révèle l’effet de la gravité sur l’antimatière », Nature 621 : 699-700 (27 septembre 2023), doi : https://doi.org/10.1038/d41586-023-02930-w.

La complexité d’une expérience visant à mesurer la chute libre d’un antiproton est de s’assurer que la seule accélération appliquée est la gravité à la surface de la Terre. Pour un antiproton refroidi à une température de 10 K, cette accélération équivaut à un champ électrique d’environ 10 K.⁻⁷ V/m, ou à un champ magnétique d’environ 10⁻¹⁰ T. La seule façon de réaliser l’expérience est d’utiliser de l’antimatière neutre, comme des atomes d’antihydrogène. La collaboration ALPHA a mis en place en 2018 un piège magnétique de Penning orienté verticalement, l’expérience appelée ALPHA-g, pour étudier la chute libre. L’idée est simple : piéger et accumuler des milliers d’atomes d’antihydrogène ; relâchez lentement ceux du haut et du bas du piège (ouvrant les barrières potentielles) ; discernez comment l’accélération de la gravité influence leur mouvement lorsqu’ils s’échappent et s’annihilent dans les parois matérielles de l’appareil. L’idée est simple, elle s’observera dans une différence dans le nombre d’annihilations des antiatomes qui s’échappent par la partie supérieure et la partie inférieure du piège. Mais la mise en œuvre pratique est très compliquée. Par exemple, les antiatomes piégés ne sont pas au repos ; Son énergie cinétique présente une distribution statistique équivalente à une température d’environ 0,5 K.

Le plan expérimental est présenté sur la figure. Le chargement des antiatomes commence par le chargement des antiprotons générés par le CERN Décélérateur d’antiprotons et la bague ELENA (Antiproton à très faible énergie) qui sont injectés dans un piège Penning avec un solénoïde de 3 T (teslas). Environ 7,5 millions d’antiprotons dotés d’une énergie cinétique de 100 keV sont injectés depuis ELENA toutes les 120 secondes. Environ 500 000 sont capturés et refroidis avant d’être injectés dans ALPHA-g, où un solénoïde supraconducteur les confine dans un champ magnétique de 1 T. Environ 3 millions de positrons y sont injectés. Le résultat est la formation d’atomes d’antihydrogène à faible énergie cinétique piégés dans un champ magnétique ; Les antiatomes sont polarisés en spin et refroidis à environ 4 K à l’aide d’hélium liquide. Dans chaque cycle de charge, ALPHA-g piège quelques atomes d’antihydrogène ; qui peuvent s’accumuler après de nombreux cycles de charge d’ELENA. Ce processus est appelé « empilement » d’antihydrogène ; Le volume de capture est un cylindre vertical de 4,4 cm de diamètre et 25,6 cm de hauteur.

Pour observer les effets de l’accélération de la gravité, des paires de bobines magnétiques appelées bobines miroir sont utilisées (bobines de miroir). Les antihydrogènes sont libérés du piège en réduisant simultanément le courant appliqué dans les deux bobines miroir les plus extrêmes (appelées A et G dans l’expérience) pendant 20 secondes. Les antiatomes s’échapperont vers le haut du piège par la bobine miroir G ou vers le bas par la bobine miroir A ; Dans les deux cas ils finiront annihilés sur les parois de l’appareil. Les positions et les heures des annihilations seront détectées à l’aide de détecteurs à scintillation pour déterminer le temps radial projeté (rTPC). Sans appliquer de courant électrique (pas de parti pris), l’accélération de la gravité terrestre (g = 9,81 m/s²) équivaut à 4,53 × 10⁻⁴ T entre les deux maximums du piège séparés de 25,6 cm. La figure illustre l’application du courant dans la bobine miroir G, sans l’appliquer dans A, ce qui conduit à une accélération positive qui passe de +0,0 g à environ +10,0 g (comme illustré sur la figure) ; Si elle est appliquée à la bobine A et non à la bobine G, l’accélération sera négative. Selon les simulations numériques, la libération lente des antihydrogènes sur 20 secondes conduirait à ce que 80 % d’entre eux sortent par le bas et les 20 % restants par le haut.

L’expérience doit être répétée plusieurs fois (la collecte des données a duré 30 jours), ce qui aboutit à une série d’histogrammes avec le nombre d’antihydrogènes libérés par le haut (Up) et par le bas (Down). Cette figure montre les résultats finaux (au format original, sans corrections de fond ni corrections liées à l’efficacité des détecteurs). On observe qu’ils vont de -10 g à +10 g (seuls les antihydrogènes émis entre les secondes 10 et 20 ont été comptés, car en dessous de la seconde 10 leur nombre est insignifiant). Le résultat final (appelé courbe d’échappement) est celui présenté au début de cette pièce (je vous recommande de la revoir). On observe que les données expérimentales suivent la courbe prédite dans le cas où l’accélération de la gravité terrestre influence le nombre d’antihydrogènes qui s’échappent de haut en bas ; Les données ne suivent pas la courbe prédite sans accélération de la gravité, et encore moins la courbe prédite si sa « masse gravitationnelle » était négative.

L’accord entre données et simulation est convaincant, avec un excellent accord qualitatif. Cependant, au niveau quantitatif, il existe des différences, puisque les antihydrogènes se comportent comme si l’accélération de la gravité agissant sur eux était légèrement inférieure à g, plus précisément (0,75 ± 0,13 (statistique + systématique) ± 0,16 (simulation)) g , avec g = 9,81 m/s². Ce résultat équivaut à (0,75 ± 0,20) g, soit une valeur qui est de 1,3 écart-type par rapport à la valeur attendue 1 g. L’article précise qu’une analyse de la vraisemblance du résultat permet d’estimer une probabilité de 2,9 × 10⁻⁴que le résultat était dû à une fluctuation aléatoire sous l’hypothèse que l’accélération de la gravité n’agit pas sur l’antihydrogène dans cette expérience. Pour cette raison, les auteurs affirment que l’existence d’une accélération négative de la gravité sur l’antimatière est exclue. Évidemment, lors de la première réalisation d’une expérience aussi complexe, on ne peut pas s’attendre à un meilleur accord avec la théorie. De futures expériences plus raffinées devront réduire ces erreurs pour obtenir un meilleur accord avec la prédiction théorique. Parce que personne ne s’attend à une quelconque déviation avec la prédiction théorique de la gravitation einsteinienne. De plus, ils doivent être confirmés par d’autres expériences comme GBAR42 et AEgIS43 au CERN. Mais, je répète ce que j’ai dit au début, personne ne s’attend à ce que la relativité générale d’Einstein soit fausse lorsqu’elle est appliquée à l’antimatière.