Première preuve expérimentale de l’existence d’une matière exotique

Au bout de huit ans, des chercheurs ont réussi à conduire une expérience complexe qui pourrait bien fonder un nouveau champ de recherche. Ce marathon scientifique a été rendu possible par une coopération internationale entre l’Institut Max-Planck d’optique quantique (MPQ), l’Institut Paul Scherrer PSI en Suisse et le CERN, le Laboratoire européen pour la physique des particules.

L’équipe a été la première à réussir à prouver l’existence d’atomes d’hélium pionique avec une longue durée de vie. Dans ces derniers, un pion remplace l’un des deux électrons de l’atome d’hélium. «Il s’agit d’une espèce de réaction chimique qui se produit de manière complètement automatique», explique Masakai Hori du MPQ.

Pour mener leur expérience, les chercheurs du MPQ et du CERN se sont rendus au PSI pour utiliser la plus puissante source de pions du monde. «Il n’y a que là que nous avions une bonne chance de réussir, souligne Anna Soter, qui a été impliquée de manière prépondérante dans l’expérience. Anna Soter a travaillé au MPQ, puis au PSI à partir de 2017 et travaille à l’ETH Zurich depuis début 2020.

L’existence de l’hélium pionique avait été prédite sur le plan théorique en 1964 déjà: des expériences avaient alors mis en évidence certains éléments suggérant son existence. Mais on considérait comme extrêmement difficile de réussir à prouver l’exactitude de cette prédiction de manière expérimentale. Le pion a une durée de vie très courte et se désintègre encore plus vite s’il se retrouve dans un atome, habituellement en l’espace d’une picoseconde, c’est-à-dire d’un millième de milliardième de seconde. Mais dans l’hélium pionique, il peut être conservé, en quelque sorte, et vit ainsi mille fois plus longtemps que dans d’autres atomes.

Le «pistolet fumant»

Pour l’équipe, le défi a consisté à prouver l’existence d’hélium pionique dans la cuve de l’expérience remplie d’hélium superfluide extrêmement froid. Lorsqu’il se retrouve dans l’atome d’hélium, le pion se comporte comme un électron lourd. Il peut uniquement sauter entre des états quantiques discrets, comme d’un échelon à l’autre sur une échelle. Pour réussir à prouver son existence, les chercheurs ont dû identifier un état avec une longue durée de vie et un saut quantique spécifique qui puisse être excité au moyen d’un laser et permette d’amener le pion dans le noyau l’atome d’hélium. Cette méthode a pour effet de détruire le noyau de l’atome et ce sont les débris du noyau atomique qui servent pour ainsi dire de «pistolet fumant» permettant de détecter le pion. Toutefois, les théoriciens n’étaient pas en mesure de prédire précisément la longueur d’onde de la lumière à laquelle se produirait ce saut quantique décisif. L’équipe a ainsi dû construire successivement trois systèmes laser complexes avant d’y arriver.

«Notre expérience nous a permis de prouver l’existence de cet état quantique de l’hélium pionique, se réjouit Anna Soter. Jusque-là, on n’avait fait que spéculer à ce sujet.» Ce résultat ouvre à présent la possibilité d’étudier le pion au moyen de la spectroscopie laser et, ce faisant, de mesurer notamment la masse du pion de manière beaucoup plus précise que jusqu’ici.

Si les chercheurs s’intéressent au pion, c’est, entre autres, parce qu’il pourrait contribuer à élucider certaines incohérences du modèle standard de la physique des particules.

Nouvelle fenêtre sur le cosmos quantique

Le pion fait partie d’une famille de particules appelés mésons. Les mésons servent aussi de médiateurs de la force nucléaire entre les neutrons et les protons en tant que composants des noyaux atomiques. Bien que les protons chargés positivement se repoussent violemment les uns les autres, la force nucléaire est plus forte et les maintient ensemble, assurant la cohésion du noyau atomique. Sans cette force, notre univers n’existerait pas. Les mésons sont composés de deux quarks: ils diffèrent ainsi des protons et des neutrons qui, eux, sont composés chacun de trois quarks.

Texte: Rédigé sur la base d’un communiqué de presse de l’Institut Max-Planck d’optique quantique avec des compléments de l’Institut Paul Scherrer