Refroidir le positronium avec un laser

Les atomes réguliers sont constitués de protons, de neutrons et d’électrons. Il existe également des atomes exotiques tels que ce qu’on appelle le positronium. Il est constitué d’un électron et de son homologue antimatière, un positon, qui gravitent autour de l’un l’autre. Pour rechercher le positronium avec précision, il ne doit pas être trop rapide, ce qui signifie pour les particules : pas trop chaud. Un groupe de recherche a réussi à refroidir le positronium à l’aide de lasers. Dans la revue spécialisée « Nature », ils soulignent l’importance de ce phénomène pour la recherche sur l’antimatière.

La température n’est rien d’autre que le mouvement des particules. Le refroidissement signifie que les particules doivent ralentir. Une méthode pour y parvenir : les chercheurs irradient les particules correspondantes avec un laser. Lorsque la lumière laser frappe une particule, celle-ci peut absorber un photon du faisceau laser et son énergie. Une impulsion est également transmise avec le photon. Si la lumière vient de la direction opposée à celle de la particule, cette impulsion ralentit la particule – comme deux boules qui restent immobiles après une collision. L’électron libère à nouveau l’énergie sous forme de photon après un court laps de temps. Mais sa direction est aléatoire, de sorte que cette nouvelle quantité de mouvement ne joue en moyenne aucun rôle sur toutes les particules. Le laser ralentit ainsi la particule et la refroidit.

Désormais, les particules ne se déplacent pas toutes dans une seule direction, mais de manière aléatoire. Afin de les refroidir globalement, la lumière laser ne peut interagir qu’avec des particules qui se déplacent dans la direction opposée. Pour ce faire, les chercheurs utilisent l’effet Doppler : selon la vitesse et la direction du mouvement, la lumière laser a une fréquence différente pour les particules. Si la particule vole vers le laser, elle perçoit sa fréquence comme étant légèrement plus élevée. Cependant, les particules ne peuvent absorber que des photons d’une certaine fréquence – leur fréquence de résonance. En réglant la fréquence du laser légèrement en dessous de la fréquence de résonance, les chercheurs peuvent garantir que presque seules les particules qui volent vers la lumière laser peuvent absorber ses photons et sont ralenties.

Kenji Shu et son équipe de l’Université de Tokyo ont désormais réussi à appliquer cette méthode éprouvée au positronium. Le défi du positronium est de très courte durée : il n’existe généralement que pendant moins de 200 nanosecondes. Une nanoseconde équivaut à un milliardième de seconde. Cela signifie : le temps de refroidissement est très court. Shu et son équipe ont réussi à refroidir le positronium de 327 degrés Celsius à -273 degrés Celsius, soit seulement un degré au-dessus du zéro absolu, au cours de sa courte durée de vie. Pour ce faire, ils ont utilisé un laser qui émet des impulsions laser d’une durée de 0,1 nanoseconde.

Inadéquation entre matière et antimatière

À cette température, les chercheurs peuvent examiner le positronium de plus près que jamais. Avec cette percée dans la matière exotique, ils espèrent percer les secrets de l’antimatière. L’un des mystères non résolus de la physique concerne l’antimatière. Des quantités égales de matière et d’antimatière auraient dû être créées lors du Big Bang – mais il n’y a essentiellement que de la matière autour de nous.

De plus, le positronium constitue une étape intermédiaire dans la production d’antihydrogène. Cela pourrait être utilisé pour étudier comment le champ de gravité terrestre affecte l’antimatière. Si l’antimatière se comporte différemment de la matière en raison de la gravité, cela pourrait expliquer pourquoi il existe un tel décalage entre la matière et l’antimatière dans l’univers.