Le Big Bang a produit des quantités égales de matière et d'antimatière qui auraient dû s'annihiler, laissant derrière elles un univers vide. Cependant, la matière a survécu et domine l'univers tandis que l'antimatière a disparu. On pense qu'une différence inconnue dans les propriétés fondamentales entre les particules et les antiparticules correspondantes pourrait en être responsable. Des mesures de haute précision des propriétés fondamentales des antiprotons pourraient enrichir la compréhension de l'asymétrie matière-antimatière. Cela nécessite un approvisionnement en antiprotons. Actuellement, le Décélérateur d'antiprotons (AD) du CERN est la seule installation où les antiprotons sont produits et stockés. Il n'est pas possible de mener des études de haute précision des antiprotons à proximité de l'AD en raison des fluctuations du champ magnétique générées par les accélérateurs. Par conséquent, le transport des antiprotons de cette installation vers d'autres laboratoires est un impératif. À l'heure actuelle, il n'existe aucune technologie appropriée pour le faire. BASE-STEP est un pas en avant dans cette direction. Il s'agit d'un dispositif relativement compact conçu pour stocker et transporter des antiprotons depuis les installations du CERN vers des laboratoires situés à d'autres endroits pour des études de haute précision de l'antimatière. Le 24 octobre 2024, BASE-STEP a réalisé avec succès une démonstration technologique utilisant des protons piégés comme substituts d'antiprotons. Il a transporté localement un nuage de 70 protons dans un camion. Il s'agissait du premier exemple de transport de particules en vrac dans un piège réutilisable et d'une étape importante vers la création d'un service de livraison d'antiprotons aux expériences d'autres laboratoires. Avec quelques améliorations des procédures, les antiprotons devraient être transportés en 2025.
Au commencement, le Big Bang a produit des quantités égales de matière et d'antimatière. Les deux ont des propriétés identiques, à la seule différence qu'elles ont des charges opposées et que leurs moments magnétiques sont inversés.
La matière et l'antimatière auraient dû rapidement s'annihiler, laissant derrière elles un univers vide, mais cela ne s'est pas produit. L'univers est désormais totalement dominé par la matière tandis que l'antimatière a disparu. On pense qu'il existe une différence inconnue entre les particules fondamentales et leurs antiparticules correspondantes, ce qui pourrait avoir conduit à la survie de la matière tandis que l'antimatière a été éliminée, conduisant à une asymétrie matière-antimatière.
Selon la symétrie CPT (charge, parité et inversion du temps), qui fait partie du modèle standard de la physique des particules, les propriétés de base des particules devraient être égales et partiellement opposées à celles de leurs antiparticules correspondantes. Des mesures expérimentales de haute précision des différences dans les propriétés de base (telles que les masses, les charges, les durées de vie ou les moments magnétiques) des particules et de leurs antiparticules correspondantes peuvent aider à comprendre l'asymétrie matière-antimatière. C'est le contexte de CERN's Baryon Expérience de symétrie antibaryonique (BASE).
L'expérience BASE a été conçue pour étudier la symétrie proton-antiproton en effectuant des mesures de haute précision des propriétés (comme le moment magnétique intrinsèque) des antiprotons avec une précision fractionnaire de l'ordre de la partie par milliard. L'étape suivante consiste à comparer ces mesures avec les valeurs correspondantes pour les protons. Pour le moment magnétique intrinsèque, l'ensemble du processus est basé sur des mesures de la fréquence de Larmor et de la fréquence cyclotron.
Actuellement, le Décélérateur d'antiprotons (AD) du CERN est la seule installation où des antiprotons sont produits et stockés de manière routinière. Ces antiprotons doivent être étudiés ici au CERN, mais les fluctuations du champ magnétique générées par l'accélérateur sur le site limitent la précision des mesures des propriétés des antiprotons. D'où la nécessité impérative de transporter les antiprotons produits à l'AD vers des laboratoires situés ailleurs. Mais l'antimatière n'est pas facile à traiter car elle s'annihile rapidement au contact de la matière. À l'heure actuelle, il n'existe pas de technologie adaptée pour transporter les antiprotons vers d'autres laboratoires afin que les chercheurs puissent mener des études de haute précision. BASE-STEP (Symmetry Tests in Experiments with Portable antiprotons) est un pas en avant dans cette direction.
BASE-STEP est un dispositif relativement compact conçu pour stocker et transporter des antiprotons depuis les installations du CERN vers d'autres laboratoires pour des études de haute précision sur l'antimatière. Il s'agit d'un sous-projet de BASE, qui pèse environ une tonne et est environ cinq fois plus petit que l'expérience BSE originale.
Le 24 octobre 2024, BASE-STEP a réalisé avec succès une démonstration technologique utilisant des protons piégés comme substituts d'antiprotons. Il a transporté localement un nuage de 70 protons dans un camion. Il s'agissait du premier exemple de transport de particules en vrac dans un piège réutilisable et d'une étape importante vers la création d'un service de livraison d'antiprotons aux expériences d'autres laboratoires. Avec quelques améliorations des procédures, le transport d'antiprotons est prévu pour 2025.
PUMA (antiProton Unstable Matter Annihilation) est une autre expérience de nature similaire mais visant un objectif différent. Comme BASE-STEP, PUMA implique également la préparation d'un piège transportable pour déplacer les antiprotons du hall du Décélérateur d'Antiprotons (AD) du CERN vers son installation ISOLDE pour les utiliser dans l'étude de phénomènes exotiques de physique nucléaire.
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Références:
- CERN. Actualités – L'expérience BASE fait un grand pas vers l'antimatière portable. Publié le 25 octobre 2024. Disponible sur https://home.cern/news/news/experiments/base-experiment-takes-big-step-towards-portable-antimatter
- CERN. Rapport de conception technique de BASE-STEP. https://cds.cern.ch/record/2756508/files/SPSC-TDR-007.pdf
- Smorra C., et al 2023. BASE-STEP : Un réservoir d'antiprotons transportable pour les études d'interaction fondamentale. Rev. Sci. Instrum. 94, 113201. 16 novembre 2023. DOI : https://doi.org/10.1063/5.0155492
- Aumann, T., Bartmann, W., Boine-Frankenheim, O. et al. PUMA, annihilation de matière instable antiProton. EUR. Phys. J.A 58, 88 (2022). DOÏ : https://doi.org/10.1140/epja/s10050-022-00713-x
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