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La collaboration Athéna, un groupe expérimental travaillant au CERN à Genève, est récemment parvenu à étudier et à mesurer des réactions chimiques mettant en jeu l'hydrogène antiprotonique, un élément composé d'un antiproton (chargé négativement) couplé à un proton (de charge positive).
Cet objet composite, également appelé protonium, s'annihile de lui-même en produisant un nombre pair de mésons pi chargés révélateurs. Normalement l'annihilation se produit en environ un quintillionième de seconde, mais dans l'expérience Athéna (et sous son vide très poussé) l'élément survit pendant la durée "énorme" d'un millionième de seconde.
L'expérience se déroule de la façon suivante: en premier lieu, des antiprotons sont produits dans le synchrotron à protons du CERN par des protons se pulvérisant sur une cible mince. Les antiprotons résultants subissent alors une décélération, depuis 97% de la vitesse de la lumière jusqu'à 10% de cette vitesse. Plusieurs étapes du refroidissement, y compris la submersion dans un bain d'électrons lents, portent les antiprotons à un point où ils peuvent être piégés par la trappe électrostatique d'Athéna.
Les chercheurs ont alors pu étudier, pour la première fois, une réaction chimique entre l'ion d'antimatière le plus simple - l'antiproton - et l'ion moléculaire de matière le plus simple, à savoir H2+ (deux atomes d'hydrogène ayant perdu un électron). L'association de ces deux ions produit un protonium plus un atome neutre d'hydrogène (voir la figure).
Légende de l'illustration: La chimie de l'antimatière a lieu à l'intérieur d'un piège de Penning, une trappe électrostatique dont les électrodes (cylindres roses) maintiennent pratiquement sur place les particules chargées. Des antiprotons ralentis (voir texte) sont encore refroidis en entrant dans le piège en les envoyant sur un nuage de positrons (e+ cloud). Les antiprotons interagissent chimiquement avec des ions d'hydrogène moléculaires (H2+) pour former des atomes d'hydrogène neutre et du protonium (qui se compose d'un proton et d'un antiproton brièvement liés). Plus tard les antiprotons s'annihilent avec les protons, avant d'atteindre la surface du piège.
Cette expérience est la première réaction chimique entre matière et antimatière, si l'on fait abstraction de l'interaction de positrons (anti-électrons) avec la matière normale. (Précédemment des antiprotons avaient été insérés dans des atomes d'hélium mais ceci ne constituait pas réellement de la "chimie" puisque les antiprotons remplaçaient simplement un électron dans l'atome d'hélium).
Selon Nicola Zurlo de l'université de Brescia et ses collègues, le produit expérimental de l'annihilation finale de protonium (voir la légende de la figure) a permis aux scientifiques d'Athéna de déduire que le nombre quantique principal (indiqué par la lettre n) du protonium avait une valeur moyenne de 70 plutôt que la valeur prévue de 30. En outre, le moment angulaire du protonium s'est typiquement révélé de beaucoup inférieur à ce qui était prévu, ceci peut-être en raison de la basse vitesse relative à laquelle les ions de matière et d'antimatière se rapprochaient les uns des autres avant la réaction.
Les scientifiques de la collaboration Athéna espèrent effectuer une spectroscopie plus détaillée de leur "atome" proton-antiproton en plus de la spectroscopie déjà programmée des atomes d'anti-hydrogène piégés, qui se composent d'antiprotons couplés à des positrons.
- Source: American Institute of Physics
Cet objet composite, également appelé protonium, s'annihile de lui-même en produisant un nombre pair de mésons pi chargés révélateurs. Normalement l'annihilation se produit en environ un quintillionième de seconde, mais dans l'expérience Athéna (et sous son vide très poussé) l'élément survit pendant la durée "énorme" d'un millionième de seconde.
L'expérience se déroule de la façon suivante: en premier lieu, des antiprotons sont produits dans le synchrotron à protons du CERN par des protons se pulvérisant sur une cible mince. Les antiprotons résultants subissent alors une décélération, depuis 97% de la vitesse de la lumière jusqu'à 10% de cette vitesse. Plusieurs étapes du refroidissement, y compris la submersion dans un bain d'électrons lents, portent les antiprotons à un point où ils peuvent être piégés par la trappe électrostatique d'Athéna.
Les chercheurs ont alors pu étudier, pour la première fois, une réaction chimique entre l'ion d'antimatière le plus simple - l'antiproton - et l'ion moléculaire de matière le plus simple, à savoir H2+ (deux atomes d'hydrogène ayant perdu un électron). L'association de ces deux ions produit un protonium plus un atome neutre d'hydrogène (voir la figure).
Légende de l'illustration: La chimie de l'antimatière a lieu à l'intérieur d'un piège de Penning, une trappe électrostatique dont les électrodes (cylindres roses) maintiennent pratiquement sur place les particules chargées. Des antiprotons ralentis (voir texte) sont encore refroidis en entrant dans le piège en les envoyant sur un nuage de positrons (e+ cloud). Les antiprotons interagissent chimiquement avec des ions d'hydrogène moléculaires (H2+) pour former des atomes d'hydrogène neutre et du protonium (qui se compose d'un proton et d'un antiproton brièvement liés). Plus tard les antiprotons s'annihilent avec les protons, avant d'atteindre la surface du piège.
Cette expérience est la première réaction chimique entre matière et antimatière, si l'on fait abstraction de l'interaction de positrons (anti-électrons) avec la matière normale. (Précédemment des antiprotons avaient été insérés dans des atomes d'hélium mais ceci ne constituait pas réellement de la "chimie" puisque les antiprotons remplaçaient simplement un électron dans l'atome d'hélium).
Selon Nicola Zurlo de l'université de Brescia et ses collègues, le produit expérimental de l'annihilation finale de protonium (voir la légende de la figure) a permis aux scientifiques d'Athéna de déduire que le nombre quantique principal (indiqué par la lettre n) du protonium avait une valeur moyenne de 70 plutôt que la valeur prévue de 30. En outre, le moment angulaire du protonium s'est typiquement révélé de beaucoup inférieur à ce qui était prévu, ceci peut-être en raison de la basse vitesse relative à laquelle les ions de matière et d'antimatière se rapprochaient les uns des autres avant la réaction.
Les scientifiques de la collaboration Athéna espèrent effectuer une spectroscopie plus détaillée de leur "atome" proton-antiproton en plus de la spectroscopie déjà programmée des atomes d'anti-hydrogène piégés, qui se composent d'antiprotons couplés à des positrons.
- Source: American Institute of Physics