Une vue d'artiste de l'expérience PiHe. © Thorsten Naeser, Dennis Luck, MPQ

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On a fabriqué un nouveau type d'atome, l'hélium pionique

ActualitéClassé sous :physique , hélium pionique , méson pi

Depuis des décennies, les physiciens fabriquent et étudient des atomes exotiques où les électrons, et parfois les protons, sont remplacés par d'autres particules chargées. Ils viennent pour la première fois d'observer de façon convaincante des atomes d'hélium pionique, où un électron a été remplacé par un méson pi de Yukawa, ainsi qu'une transition quantique induite par laser dans ces atomes exotiques.

Au début des années 1930, avec la découverte du neutron par Chadwick, Heisenberg et Fermi ont proposé que celui-ci soit en fait un proton lié à un électron, que le proton pouvait échanger et mettre en commun avec un autre proton, de sorte que les forces nucléaires collant neutrons et protons dans les noyaux étaient simplement les analogues des forces chimiques liant les atomes dans des molécules.

Pour diverses raisons, cette hypothèse a été rapidement abandonnée et parallèlement, en 1935, Hideki Yukawa publia un article dans lequel il introduisait une nouvelle particule analogue au photon liant les particules chargées. Un nouveau champ de force était donc introduit, associé cette fois-ci à une particule massive que l'on appelle aujourd'hui un pion ou encore un méson pi (noté π−). Yukawa prédisait également la masse de cette particule qui devait également porter un quantum de charge élémentaire et être décrite par un champ scalaire.

Sur ces bases, on avait cru la détecter dans les rayons cosmiques dès 1936. Mais ce que Carl David Anderson et son assistant Seth Neddermeyer avaient découvert était en réalité un cousin lourd de l'électron avec une masse et une charge similaire au pion : le muon. Comme sa masse était intermédiaire à celle de l'électron et du proton, Anderson nomma cette particule qu'il prenait pour la particule de Yukawa un mesotron, dont le préfixe meso- venant du grec signifie « intermédiaire ». Le terme générique de méson fut adopté par la suite pour des particules similaires identifiées, le mesotron fut quant à lui renommé mu méson, puis muon (avec la lettre grecque μ (mu) utilisée pour ressembler au son de la lettre latine m).

Le prix Nobel de physique Hideki Yukawa en 1949 à la Columbia University. © DP

Des mésons découverts dans les rayons cosmiques

Le pion lui-même ne fut découvert qu'en 1947, toujours dans les rayons cosmiques, par Cecil Powell, César Lattes et Giuseppe Occhialini. Un an plus tard, les physiciens Cesar Lattes et Eugene Gardner réalisent finalement la production de pions artificiels en bombardant des atomes de carbone avec des particules alpha, forçant en quelque sorte les nucléons des noyaux à rayonner des pions, comme les atomes rayonnent des photons lors de collisions.

Or, dès 1947, Enrico Fermi et Edward Teller, le père de la bombe H états-unienne, ont suggéré que divers atomes et ions exotiques pouvaient se former lorsqu'un ou plusieurs électrons dans un atome normal sont remplacés par une particule lourde, chargée négativement telle qu'un π−. Cela fait maintenant des décennies que les physiciens créent et étudient ce que l'on appelle ces atomes exotiques qui plus généralement sont des états liés de particules, dont l'une au moins n'est pas un électron ou un noyau d'atome (par exemple, le positronium).

Le plus connu des atomes exotiques est sans doute l'atome muonique. Il s'agit d'un atome ordinaire dans lequel un électron a été remplacé par un muon. De tels atomes ont été proposés à la fin des années 1940 et au début des années 1950 par Andrei Sakharov, F. C. Frank, Ya. B. Zel'dovitch et Luis W. Alvarez. Ils permettent de faire de la fusion nucléaire catalysée, c'est-à-dire de produire des réactions de fusions avec des atomes légers à des températures bien plus basses que celles rencontrées dans le Soleil ou un tokamak comme Iter.

Dans l'expérience PiHe, un méson pi négativement chargé a remplacé un des électrons d'un atome d'hélium. Environ 200 fois plus lourd qu'un électron, la taille de l'orbite quantique du méson pi est plus petite que celles des orbites des électrons de sorte que, comme indiqué sur ce schéma, l'électron périphérique restant d'un atome d'hélium protège l'orbite du méson pi à l'origine de l'existence de cet atome d'hélium pionique désigné par π4He+. Sous l'effet d'un faisceau laser, le pion peut faire une transition quantique qui le conduit à être absorbé par un des nucléons du noyau, ce qui provoque une réaction de fission avec des produits de désintégration que l'on peut observer, prouvant l'existence de π4He+. © Masaki Hori, Asacusa Collaboration, Cern

Des atomes exotiques trahis par des réactions de fission

Aujourd'hui, les membres de la collaboration PiHe, qui comporte des membres de la collaboration Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons (Asacusa) au Cern, annoncent dans un article publié dans Nature qu'ils ont tout à la fois réussi à démontrer sérieusement pour la première fois l'existence d'atomes d'hélium pionique, où un électron du cortège autour du noyau d'hélium a été remplacé par un méson pi, et à mesurer une transition quantique analogue à celle des électrons dans les atomes au moyen d'un faisceau laser. L'expérience s'est déroulée à l'Institut Paul Scherrer (PSI), près de Zurich, où un faisceau de pions produit en bombardant des noyaux de carbone avec des protons a été envoyé dans un réservoir d'hélium superfluide. Les pions ont alors occupé la place d'un électron dans les atomes d'hélium formant l'équivalent d'un état de Rydberg d'un électron mais paradoxalement avec une taille d'orbite plus petite que celle d'un électron sur la couche électronique fondamentale d'un atome d'hélium. Un faisceau laser provoquait ensuite des transitions quantiques analogues à celle de la capture K des électrons d'un atome par un nucléon, ce qui provoquait en l'occurrence avec les pions la fission des noyaux d'hélium.

Dans un communiqué du Cern, Masaki Hori, co-porte-parole d'Asacusa, commente les résultats qu'il a obtenus avec ses collègues en ces termes : « Les mesures spectroscopiques laser des atomes exotiques contenant des mésons pourraient être utilisées pour déterminer avec une grande précision la masse et les autres propriétés de ces mésons, et également pour fixer des limites sur d'éventuelles nouvelles forces agissant sur les mésons. Pour le méson utilisé dans cette étude, qui est l'un des mésons les plus légers, nous pourrions être en mesure ultérieurement de déterminer sa masse avec une précision supérieure au cent millionième. La précision serait ainsi 100 fois supérieure à ce qui a été obtenu jusqu'à présent, et cela permettrait de réaliser une comparaison précise avec la prédiction du Modèle standard ».

La collaboration PiHe utilise le cyclotron de l'Institut Paul Scherrer qui leur a fourni un faisceau de protons de la plus haute intensité au monde. Ce faisceau de protons a traversé une cible de carbone, produisant ainsi des pions négatifs. Ceux-ci sont transportés vers une cible contenant de l'hélium et que l'on voit sur cette image. Les atomes d'hélium pioniques ainsi synthétisés sont irradiés par un faisceau laser pulsé. Lorsque le laser est réglé sur une fréquence de transition caractéristique de l'atome, une résonance devait être observée si ces atomes existaient bien. © Masaki Hori, Asacusa Collaboration, Cern
  • Depuis des décennies, les physiciens fabriquent et étudient des atomes exotiques où les électrons, et parfois les protons, sont remplacés par d'autres particules chargées.
  • On peut citer à cet égard le positronium, un état lié d'un électron et son antiparticule positron, et le remplacement des électrons dans des atomes d'hydrogène et surtout de deutérium et de tritium, par des muons, cousins lourds de l'électron, qui permettent de faciliter les réactions de fusion.
  • Les physiciens viennent pour la première fois d'observer de façon convaincante des atomes d'hélium pionique, où un électron a été remplacé par un méson pi de Yukawa, ainsi qu'une transition quantique induite par laser dans ces atomes exotiques qui peuvent servir de laboratoire pour tester le Modèle standard de la physique des particules.
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