Un vide bouillonnant et bruyant remplit l'espace quantique, déformant la forme de chaque atome d'hydrogène dans l'univers. Et maintenant, nous savons qu'il déforme également le jumeau de l'antimatière bizarro-monde de l'hydrogène: l'antihydrogène.
L'antimatière est une substance peu connue, rare dans notre univers, qui imite la matière presque parfaitement, mais avec toutes les propriétés inversées. Par exemple, les électrons sont de minuscules particules de matière qui portent une charge négative. Leurs jumeaux antimatière sont de minuscules "positrons" qui portent une charge positive. Combinez un électron et un proton (une plus grosse particule de matière chargée positivement), et vous obtenez un simple atome d'hydrogène. Combinez un positron d'antimatière avec un "antiproton" et vous obtenez un antihydrogène. Lorsque la matière ordinaire et l'antimatière se touchent, les particules de matière et d'antimatière s'anéantissent.
Actuellement, l'antimatière semble être le jumeau parfait et antagoniste de la matière, et l'un des grands mystères de la physique est la raison pour laquelle la matière a dominé l'espace alors que l'antimatière est devenue un petit acteur dans l'univers. Trouver une différence entre les deux pourrait aider à expliquer la structure de l'univers moderne.
Le décalage Lamb était un bon endroit pour rechercher ce genre de différence, a déclaré Makoto Fujiwara, un physicien canadien des particules affilié au CERN et co-auteur de la nouvelle étude, publiée le 19 février dans la revue Nature. Les physiciens quantiques connaissent cet étrange effet quantique, nommé d'après le physicien de l'Université de l'Arizona Willis Lamb, depuis 1947. Lors de la première grande conférence des physiciens américains d'après-guerre, Lamb a révélé que quelque chose d'invisible à l'intérieur des atomes d'hydrogène pousse sur leurs particules internes, créant un plus grand écart entre le proton et l'électron en orbite que la théorie nucléaire existante autorisée.
"En gros, le changement d'agneau est une manifestation physique de l'effet du" vide "", a déclaré Fujiwara à Live Science. «Quand vous pensez normalement au vide, vous pensez à« rien ». Cependant, selon la théorie de la physique quantique, le vide est rempli de soi-disant «particules virtuelles», qui naissent et sont constamment détruites. "
Ce bouillonnement étrange de particules brèves et semi-réelles a de réels impacts sur l'univers environnant. Et à l'intérieur des atomes d'hydrogène, il crée une pression qui sépare les deux particules liées. Cette découverte inattendue a valu à Lamb le prix Nobel de physique de 1955.
Mais alors que les physiciens savent depuis des décennies que le changement de Lamb modifie l'hydrogène, ils ne savaient pas s'il affectait également l'antihydrogène.
Fujiwara et ses co-auteurs ont voulu le découvrir.
"L'objectif global de nos études est de voir s'il y a une différence entre l'hydrogène et l'antihydrogène, et nous ne savons pas à l'avance où une telle différence peut apparaître", a déclaré Fujiwara à Live Science.
Pour étudier la question, les chercheurs ont minutieusement collecté des échantillons d'antihydrogène en utilisant l'expérience d'antimatière Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA) à l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN), le géant laboratoire de physique nucléaire du continent. ALPHA prend quelques heures pour générer un échantillon d'antihydrogène suffisamment grand pour fonctionner avec, a déclaré Fujiwara.
Il suspend la substance dans des champs magnétiques qui repoussent la matière. Les chercheurs de l'ALPHA ont ensuite frappé l'antihydrogène piégé avec une lumière laser pour étudier comment l'antimatière interagit avec les photons, ce qui peut révéler les propriétés cachées des petits anti-atomes.
Répétant leur expérience une douzaine de fois sur différents échantillons d'antihydrogène dans différentes conditions, les chercheurs de l'ALPHA n'ont trouvé aucune différence entre le décalage de Lamb dans l'hydrogène et le décalage de Lamb dans l'antihydrogène que leurs instruments pouvaient détecter.
"Actuellement, il n'y a pas de différence connue entre les propriétés fondamentales de l'antihydrogène et de l'hydrogène ordinaire", a déclaré Fujiwara. "Si nous trouvons une différence, même la plus infime, cela forcerait un changement radical dans la façon dont nous comprenons notre univers physique."
Bien que les chercheurs n'aient pas encore trouvé de différences, la physique antihydrogène est encore un domaine jeune. Les physiciens n'avaient même pas d'échantillons facilement étudiés avant 2002 et ALPHA n'a commencé à piéger régulièrement des échantillons d'hydrogène qu'en 2011.
Cette découverte est une «première étape», a déclaré Fujiwara, mais il reste encore beaucoup à étudier avant que les physiciens ne comprennent vraiment comment l'hydrogène et l'antihydrogène se comparent.
