L'horloge à fontaine atomique vise à résoudre les mystères de l'antimatière

Les chercheurs Joos Schoonwater et Edward Thorpe-Woods de l'Université de Swansea ont développé une nouvelle fontaine à césium. Crédit : Stefan Eriksson.

Un appareil produisant une fontaine d’atomes de césium pourrait améliorer la compréhension de l’Univers en mesurant la fréquence de la lumière absorbée par l’antimatière.

Construit au Royaume-Uni avec le soutien de l’Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), il a maintenant été installé dans l’installation emblématique du CERN pour soutenir l’expérience pionnière sur l’antimatière de l’appareil de physique laser à antihydrogène (ALPHA).

L'Université de Swansea a dirigé la participation du Royaume-Uni à ALPHA, financée par l'EPSRC. L'Université danoise d'Aarhus a apporté un soutien supplémentaire, grâce au financement de la Fondation Carlsberg.

La fontaine à césium aidera ALPHA à déterminer la fréquence de la lumière absorbée par l'antihydrogène (l'équivalent antimatière de l'hydrogène) avec la même précision que celle déjà obtenue pour l'hydrogène. Ceci est essentiel pour comprendre l’étendue de la symétrie entre matière et antimatière, une grande question au cœur du fonctionnement de l’Univers.

La fontaine à césium a été conçue et construite au National Physical Laboratory (NPL), l'institut national de métrologie du Royaume-Uni, à Teddington, dans le Middlesex.

La fontaine à césium est enfermée dans un boîtier d'environ deux mètres de haut. Les atomes de césium refroidis au laser et détenus dans une chambre à vide sont lancés dans un tube à commande magnétique avant de retomber.

Le rayonnement micro-onde mesure la fréquence à laquelle ces atomes oscillent, jusqu'à la quinzième décimale.

Cela fournira une référence ultra précise par rapport à laquelle ALPHA pourra mesurer l’interaction des atomes d’antihydrogène avec la lumière laser, permettant ainsi de déterminer la fréquence de la lumière absorbée par l’antihydrogène.

L’objectif est d’atteindre un niveau de précision mille fois supérieur aux connaissances actuelles. Il est prévu que cet objectif soit atteint au cours des prochaines années.

Unique en son genre au monde, cette fontaine à césium est unique par sa fiabilité et sa robustesse, essentielles pour résister aux exigences qu'ALPHA lui imposera.

L'intégration de l'instrument à l'expérience sur site évite à ALPHA d'avoir à accéder à ce type de capacité via une liaison satellite, minimisant ainsi les imprécisions dans les mesures prises.

Les résultats montreront si, conformément à la théorie conventionnelle, l’hydrogène et l’antihydrogène ont exactement les mêmes propriétés (bien qu’en miroir).

Cela pourrait expliquer pourquoi il semble y avoir très peu d’antimatière dans l’Univers aujourd’hui, même si l’on considère généralement que des quantités égales de matière et d’antimatière ont été créées lors du Big Bang il y a 13,8 milliards d’années.

Le Royaume-Uni est un partenaire clé d'ALPHA et la capacité fournie par la fontaine à césium renforce le statut du Royaume-Uni en tant que leader mondial dans le domaine de la recherche sur l'antimatière à faible énergie.

Jane Nicholson, directeur exécutif de la base de recherche à l'EPSRC, a déclaré :

« Cet appareil passionnant renforcera davantage le rôle du Royaume-Uni en tant que pays leader dans la communauté des chercheurs étudiant les propriétés de l'antimatière.

"Offrant une précision supérieure pour mesurer la fréquence de la lumière absorbée par l'antimatière, l'horloge à fontaine atomique démontre l'importance de l'investissement dans des installations de classe mondiale et le rôle qu'elles jouent dans les découvertes révolutionnaires et constitue un excellent exemple de collaboration entre les établissements de recherche universitaires et publics. »

Professeur Stefan Erikssonde l'Université de Swansea, qui dirige le projet de fontaine à césium d'ALPHA, déclare :

« La nouvelle fontaine à césium est essentielle à nos efforts continus visant à déterminer si l’hydrogène et l’antihydrogène se comportent de la même manière.

"J'espère que ce que nous découvrirons améliorera la compréhension des éléments de base de notre Univers. La fontaine aidera également ALPHA à bénéficier au Royaume-Uni en formant des chercheurs capables d'appliquer leurs compétences - en instrumentation, par exemple - à des domaines d'importance nationale tels que les technologies quantiques, qui devraient avoir un impact important sur la société.