Une expérience sur l’antimatière montre des surprises proches du zéro absolu

Le projet a été conçu pour voir si la spectroscopie dans un bain d’hélium était possible – une preuve de concept pour de futures expériences qui utiliseraient des atomes hybrides encore plus exotiques.

Mais Sótér était curieux de savoir comment les atomes hybrides réagiraient aux différentes températures de l’hélium. Elle a convaincu la collaboration de dépenser de la précieuse antimatière en répétant les mesures dans des bains d’hélium de plus en plus froids.

« C’était une idée aléatoire de ma part », a déclaré Sótér, aujourd’hui professeur à l’Ecole polytechnique fédérale de Zurich. « Les gens n’étaient pas convaincus que cela valait la peine de gaspiller des antiprotons dessus. »

Là où les raies spectrales de la plupart des atomes se seraient complètement détraquées dans le fluide de plus en plus dense, s’élargissant peut-être un million de fois, les atomes de Frankenstein ont fait le contraire. Lorsque les chercheurs ont abaissé le bain d’hélium à des températures plus glaciales, la tache spectrale s’est rétrécie. Et en dessous d’environ 2,2 kelvins, où l’hélium devient un « superfluide » sans frottement, ils ont vu une ligne presque aussi nette que la plus étroite qu’ils avaient vue dans l’hélium gazeux. Bien qu’ils aient vraisemblablement subi les coups de l’environnement dense, les atomes hybrides matière-antimatière agissaient à l’unisson improbable.

Ne sachant pas quoi penser de l’expérience, Sótér et Hori se sont assis sur le résultat pendant qu’ils réfléchissaient à ce qui aurait pu mal tourner.

« Nous avons continué à nous disputer pendant de nombreuses années », a déclaré Hori. « Ce n’était pas si facile pour moi de comprendre pourquoi c’était le cas. »

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Un appel à proximité

Avec le temps, les chercheurs ont conclu que rien n’avait mal tourné. La ligne spectrale étroite a montré que les atomes hybrides de l’hélium superfluide ne subissent pas de collisions atomiques à la manière d’une boule de billard typique dans un gaz. La question était pourquoi. Après avoir consulté divers théoriciens, les chercheurs ont abouti à deux raisons possibles.

L’un implique la nature de l’environnement liquide. Le spectre atomique s’est brusquement resserré lorsque le groupe a refroidi l’hélium dans un état superfluide, un phénomène de mécanique quantique où les atomes individuels perdent leur identité d’une manière qui leur permet de circuler ensemble sans se frotter les uns contre les autres. La superfluidité atténue les collisions atomiques en général, de sorte que les chercheurs s’attendent à ce que les atomes étrangers ne subissent qu’un léger élargissement ou même une quantité limitée de resserrement dans certains cas. « L’hélium superfluide », a déclaré Lemeshko, « est la chose connue la plus douce dans laquelle vous pouvez immerger des atomes et des molécules. »

Mais si l’hélium superfluide a peut-être aidé les atomes hybrides à devenir leur moi le plus isolationniste, cela ne peut à lui seul expliquer à quel point les atomes se sont bien comportés. Selon les chercheurs, une autre clé de leur conformité était leur structure inhabituelle, provoquée par leur composant d’antimatière.

Dans un atome normal, un petit électron peut s’aventurer loin de son atome hôte, surtout lorsqu’il est excité par un laser. Avec une telle laisse lâche, l’électron peut facilement heurter d’autres atomes, perturbant les niveaux d’énergie intrinsèques de son atome (et conduisant à un élargissement spectral).

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Lorsque Sótér et ses collègues ont échangé des électrons rapides contre des antiprotons lourds, ils ont radicalement changé la dynamique de l’atome. L’antiproton massif est beaucoup plus casanier, restant près du noyau où l’électron extérieur peut l’abriter. « L’électron est comme un champ de force », a déclaré Hori, « comme un bouclier. »

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