Un positon unique piégé pendant des mois dans un cyclotron quantique

Une équipe de physiciens a réussi à piéger un seul positon, l'antiparticule de l'électron, et à le maintenir en suspension pendant des mois. Publié dans Physical Review Letters, ce travail décrit un « cyclotron quantique à positon unique » qui doit permettre de soumettre les fondements de la physique moderne à un test exigeant.

L'antimatière est un cauchemar expérimental : au contact de la matière ordinaire, les deux s'annihilent dans un éclair d'énergie. Isoler une particule pendant des mois constitue donc un exploit technique majeur.

Comment le positon est capturé

Le positon provient d'une source radioactive de sodium 22 et sort avec une énergie considérable. Pour l'étudier, les chercheurs doivent le refroidir à 300 millikelvins, à peine une fraction de degré au-dessus du zéro absolu, ce qui revient à réduire son énergie de plus de dix ordres de grandeur en très peu de temps.

Pour l'introduire dans un piège magnétique, l'équipe le laisse s'associer brièvement à un électron afin de former du positronium, un atome exotique électriquement neutre. Sans charge, il se faufile par un minuscule orifice de 625 micromètres jusqu'à un piège où un champ électrique intense l'ionise, laissant le positon capturé. Charger un seul positon demande de 8 à 11 heures.

Un enjeu fondamental

Selon le modèle standard, le Big Bang aurait dû produire autant de matière que d'antimatière, or l'Univers actuel est fait de matière. Les physiciens cherchent depuis des décennies une différence qui l'expliquerait. Électron et positon devraient être des reflets parfaits, de même masse et de moment magnétique, le facteur g, identique mais de signe opposé.

En 2023, la même équipe de la Northwestern University a mesuré le facteur g de l'électron avec une précision de 0,13 partie par billion. La comparaison électron-positon de référence date de 1987 et établit leur égalité à 2,1 parties par billion. Les chercheurs estiment que le nouveau dispositif pourrait améliorer d'environ 30 fois la précision de la mesure du moment magnétique du positon.

La mesure de haute précision reste à faire : pour l'instant, seule la machine a prouvé son bon fonctionnement. Selon le responsable de l'équipe, Gerald Gabrielse, si l'électron et le positon s'avéraient différents, ce serait la plus grande découverte de la physique du dernier siècle.