Un seul positon piégé dans un cyclotron quantique pour tester la symétrie CPT

Des physiciens de l’Université Northwestern ont retenu un seul positon, le jumeau d’antimatière de l’électron, dans un « cyclotron quantique », ouvrant une nouvelle façon de tester une prédiction clé du Modèle standard de la physique des particules. Ces travaux, dirigés par Gerald Gabrielse, ont été publiés en ligne le 21 octobre dans Physical Review Letters.

Le positon a la même masse que l’électron, mais une charge électrique égale et opposée. Comme l’électron, il se comporte aussi comme un minuscule barreau aimanté et, selon le Modèle standard, son moment magnétique, la force de cet aimant, devrait être exactement égal et opposé à celui de l’électron.

Pourquoi comparer un positon à un électron

La prédiction découle de la symétrie CPT. Elle énonce que si chaque particule était remplacée par son antiparticule (C), l’univers retourné en son image miroir (P) et le temps inversé (T), le tout en même temps, les lois de la physique resteraient inchangées. L’un des tests les plus sensibles consiste à comparer le moment magnétique du positon à celui de l’électron. Toute différence laisserait entrevoir une nouvelle physique au-delà du Modèle standard.

Les mesures sur l’électron ont atteint une précision d’environ 1 partie sur 10 000 milliards, tandis que la meilleure comparaison pour le positon est moins précise de plusieurs ordres de grandeur. Le principal obstacle est de placer un positon dans un environnement suffisamment isolé et froid pour des mesures bien plus précises.

Comment le positon a été capturé

L’équipe a prélevé des positons d’une source radioactive de sodium, qui les projette à des vitesses extrêmement élevées, et les a ralentis considérablement. Pour confiner un seul positon, elle l’a d’abord laissé s’apparier avec un électron pour former du positronium, un atome électriquement neutre. Le positronium a été dissocié à l’intérieur du piège, ce qui a laissé le positon seul.

L’antiparticule a ensuite été maintenue dans un piège de Penning, qui utilise des champs électriques et magnétiques pour faire tourner la particule sur place, un peu comme une version miniature des cyclotrons utilisés dans les accélérateurs de particules. Le piège a été refroidi à une fraction de degré seulement au-dessus du zéro absolu, afin que le positon puisse se stabiliser dans son mouvement circulaire de plus basse énergie.

Lecture du mouvement et du spin

L’énergie du positon étant répartie en paliers distincts et nettement séparés, les chercheurs ont pu le faire monter et descendre d’un palier à la fois à l’aide de micro-ondes et suivre les inversions de son spin, la propriété liée à son magnétisme. Ils ont lu ces états en surveillant de minuscules variations du va-et-vient du positon dans le piège, ce qui permet de détecter à la fois son mouvement et son spin sans perturber ni l’un ni l’autre.

Une fois capturé, le positon peut être conservé plusieurs mois, selon le rapport. Cela ouvre la voie à de futures expériences capables de mesurer son moment magnétique avec une précision comparable aux mesures actuelles sur l’électron. Le moment magnétique lui-même n’a pas été mesuré dans ces travaux : l’article démontre le piégeage et la méthode du cyclotron quantique.

Ces travaux s’inscrivent dans la couverture scientifique d’akm.news.