Une étude, dont les résultats intitulés «Laser cooling of antihydrogen atoms» ont été publiés dans la revue Nature, a permis, dans le cadre la collaboration ALPHA au CERN, de refroidir des atomes d’antihydrogène (la forme d’antimatière atomique la plus simple) au moyen d’une lumière laser, alors qu'il y a une dizaine d’années, «le refroidissement par laser de l’antimatière semblait relever de la science-fiction». Cette avancée «ouvre la voie à des mesures bien plus précises de la structure interne de l’antihydrogène et de son comportement sous l’influence de la gravité».

Relevons tout d'abord que «l'équipe d’ALPHA produit des atomes d’antihydrogène en recueillant des antiprotons du Décélérateur d’antiprotons du CERN et en les liant à des positons provenant de l’isotope Na-22». Comme «elle emprisonne ensuite les atomes d’antihydrogène qui en résultent dans un piège magnétique, qui les empêche d’entrer en contact avec la matière et d’être annihilés», il est alors possible de «procéder à des études spectroscopiques, qui consistent à mesurer la réponse des antiatomes au rayonnement électromagnétique – lumière laser ou micro-ondes».

Ainsi, l’équipe a, en particulier, «mesuré avec une précision inégalée la transition électronique 1S-2S dans l’atome d’antihydrogène». Néanmoins, la précision des mesures spectroscopiques «et des futures mesures prévues du comportement de l’antihydrogène dans le champ gravitationnel de la Terre lors des expériences en cours est limitée par l’énergie cinétique, qu’on peut comparer à la 'température' des antiatomes». Le refroidissement par laser peut résoudre ce problème.

Concrètement, «dans cette technique, les photons du laser sont absorbés par les atomes, qui passent alors à un état d’énergie plus élevée», ensuite les antiatomes émettent «les photons et reviennent spontanément à leur état initial». Du fait que «l’interaction dépend de la vitesse des atomes et que les photons transmettent l’impulsion, la répétition de ce cycle d’absorption-émission entraîne le 'refroidissement' des atomes».

Dans ce contexte, l'étude ici présentée est parvenue «à refroidir par laser un échantillon d’atomes d’antihydrogène retenus dans un piège magnétique» en faisant «passer à plusieurs reprises les antiatomes de l’état d’énergie la plus basse (l’état 1S) à l’état d’énergie la plus élevée (2P) grâce à une lumière laser pulsée à une fréquence légèrement inférieure à celle de la transition entre les deux états».

Au bout du compte, «après une exposition de plusieurs heures des atomes piégés», il a été constaté «une diminution supérieure à un facteur 10 de l’énergie cinétique médiane des atomes, une grande quantité d’antiatomes atteignant des énergies inférieures à un microélectronvolt (l’équivalent en température étant environ 0,012 degrés au-dessus du zéro absolu)». L'incidence de ce refroidissement sur une mesure spectroscopique de la transition 1S-2S est l'observation d'une «raie spectrale plus étroite, à savoir quatre fois plus étroite que celle observée sans refroidissement au laser».