Le CERN conduira de l'antimatière dans un camion pour une expérience d'anéantissement

Retardateur d'antiprotons au CERN

L'antimatière est une substance très fragile (plus précisément l'antimatière). Mais les physiciens ont si bien appris à le contrôler que maintenant, pour la première fois dans l'histoire, ils ont décidé de tenter leur chance et de transporter un petit nombre d'antiprotons sur une distance de plusieurs centaines de mètres.

L'antimatière est extraite dans le Grand collisionneur de hadrons, collectant des nuages ​​d'antiprotons après qu'un faisceau de protons est entré en collision avec une cible métallique et ralentit avec précision les particules volantes afin qu'elles puissent être utilisées dans des expériences ultérieures. Dans ce cas, le CERN prépare une expérience sur l'anéantissement des antiprotons PUMA (anti-Proton Unstable Matter Annihilation), écrit la revue Nature .

Pour l'anéantissement, il est nécessaire de livrer des antiprotons de «l'usine» au site de l'expérience ISOLDE voisine, qui produit de rares noyaux atomiques radioactifs. Ils se désintègrent trop rapidement pour être transportés quelque part. Par conséquent, pour l'expérience d'annihilation, il sera nécessaire de transporter précisément l'antimatière.


Equipement du Laboratoire de physique des particules du CERN pour la production de noyaux atomiques radioactifs. Photo: CERN

L'expérience se déroulera au laboratoire de physique des particules du CERN. «L'antimatière a longtemps été étudiée seule, mais maintenant ses propriétés sont suffisamment connues pour commencer à être utilisées comme sonde pour la matière», explique Alexandre Obertelli, physicien à l'Université technique de Darmstadt (Allemagne), chef de projet chez PUMA.

Pour stabiliser un nuage d'environ 1 milliard d'antiprotons dans le vide, les scientifiques utiliseront un piège contre les champs magnétiques et électriques. Ce piège sera ensuite chargé sur un camion - et transporté sur des centaines de mètres jusqu'au site de l'expérience ISOLDE.

L'illustration ci-dessous montre comment le piège est organisé et comment l'anéantissement se produira à l'avenir lorsqu'il entre en collision avec des isotopes rares d'éléments radioactifs. Comme vous pouvez le voir, le piège à l'intérieur de l'aimant supraconducteur a une longueur de 700 mm et les isotopes y pénètrent par un tube d'un diamètre de 10 nanomètres. La zone de collision des isotopes avec un antiproton est équipée d'un détecteur pour détecter les particules volantes.


Conception de l'expérience PUMA

«Porter de l'antimatière dans un camion est presque de la science-fiction», explique Charles Horowitz, physicien nucléaire théoricien à l'Université de l'Indiana à Bloomington. "C'est une excellente idée."

Expérience PUMA

Comme écrit dans la description de la subvention européenne pour l'expérience PUMA , elle est mise en place pour «étudier l'un des phénomènes quantiques les plus remarquables en physique nucléaire - l'émergence d'un halo de neutrons et de coquilles de neutrons dans des noyaux atomiques très saturés de neutrons. Des coquilles de neutrons épaisses, qui jusqu'à présent n'ont jamais été fixées dans des noyaux de masse moyenne, deviendront des matières neutroniques de laboratoire de faible densité. Il est également connu que la structure de l'enveloppe nucléaire varie avec le nombre de protons et de neutrons. La structure nucléaire des noyaux très lourds est pratiquement inconnue à Z = 100 et plus, et l'existence de nouveaux isotopes lourds à longue durée de vie est toujours une question ouverte. "Ce phénomène fondamental associé au déséquilibre des neutrons et des protons dans les noyaux instables est important pour comprendre la nature complexe des noyaux et des processus astrophysiques associés."

Par exemple, un excès de neutrons dans l'isotope lithium-11 crée un halo de neutrons autour du cœur du noyau et gonfle sa taille (voir l'illustration).



On suppose que les mêmes forces, uniquement à plus grande échelle, agissent dans les étoiles à neutrons - ce sont ces forces qui créent une coquille solide saturée en neutrons.


Structure des étoiles à neutrons

La structure des noyaux des étoiles superdenses reste un mystère pour les scientifiques. Mais l'étude des propriétés du halo nucléaire dans le "microcosme" des isotopes radioactifs permettra d'approcher l'indice en astrophysique.

Ainsi, dans le cadre de l'expérience PUMA, de tels halos de neutrons «sonnent» avec des antiprotons et regardent le résultat de l'annihilation. Pour ce faire, l'antimatière sera amenée sur le lieu de production des isotopes. Certes, avant cela, plusieurs problèmes techniques devront être résolus - des équipements doivent être construits pour stocker un milliard d'antiprotons pendant plusieurs semaines dans un piège à une température de 4 degrés au-dessus du zéro absolu. La tâche est difficile, mais réalisable. Les scientifiques prévoient de commencer les premières expériences sur l'annihilation de l'antimatière avec un halo de neutrons de noyaux radioactifs en 2022.

Il y a suffisamment d'antimatière sur le camion pour d'autres expériences, pas seulement au CERN, il est donc possible que par la suite la camionnette avec de l'antimatière se rende dans d'autres régions d'Europe.

«Dès qu'ils pourront prendre un milliard d'antiprotons et les conserver pendant plusieurs semaines, alors de nombreuses autres expériences se joindront. Les gens auront de nouvelles idées sur ce qui peut être fait ici », explique Chloé Malbrunot, physicienne de l'antimatière au CERN. «Je pense que cela ouvrira vraiment un nouveau champ de recherche.»