Une étude, dont les résultats intitulés «Characterization of the 1S–2S transition in antihydrogen» ont été publiés dans la revue Nature, rapporte que la collaboration ALPHA a réalisé la mesure directe la plus précise jamais réalisée sur l’antimatière, révélant pour la première fois la structure spectrale de l'atome d'antihydrogène. Cette avancée «est l'aboutissement de trois décennies de recherche et de développement au CERN, et ouvre une ère entièrement nouvelle de mesures de haute précision des différences entre matière et antimatière».

Comparer les mesures du spectre de l'hydrogène, qui «concordent avec les prédictions théoriques à un niveau de l'ordre de quelques parties par million de milliards (10¹⁵)», avec celles effectuées sur les atomes d'antihydrogène, «lesquels comprennent un antiproton autour duquel tourne un positon», sert à «vérifier la validité d'une symétrie fondamentale appelée invariance CPT (charge-parité-temps)».

Plus précisément, «le fait de trouver la moindre différence entre les deux ensembles de mesures permettrait de consolider les fondations du Modèle standard de la physique des particules et éventuellement de mieux comprendre pourquoi l'Univers est constitué presque intégralement de matière, alors que matière et antimatière auraient été produites en quantités égales lors du Big Bang». Néanmoins, jusqu'ici, «il était pratiquement impossible de produire et piéger des quantités suffisantes d'atomes d'antihydrogène, qui sont très délicats, et de disposer des outils nécessaires, afin de pouvoir procéder à des mesures spectroscopiques complexes sur l'antihydrogène».

Pour sa part, «la collaboration ALPHA produit des atomes d'antihydrogène en recueillant des antiprotons du Décélérateur d'antiprotons (AD) du CERN, et en les liant à des positons provenant de l'isotope Na-22». Ensuite, ces atomes d’antihydrogène sont emprisonnés «dans un piège magnétique, qui les empêche d’entrer en contact avec la matière et d’être annihilés» et, grâce à une lumière laser projetée sur ces atomes d'antihydrogène piégés, «la réaction de ces derniers est mesurée et finalement comparée à celle des atomes d'hydrogène».

Cette méthode a permis, en 2016, à la collaboration ALPHA de «mesurer la fréquence de la transition électronique entre l'état d'énergie le plus faible et le premier état excité (transition dite '1S-2S') de l'antihydrogène avec une précision de l'ordre de quelques parties pour dix milliards», ce qui a fait apparaître «une bonne concordance avec la transition équivalente dans l'hydrogène». Deux fréquences laser ont été utilisées pour obtenir ces mesures: «l'une correspondant à la fréquence de la transition 1S-2S dans l'hydrogène, l'autre décalée de la première». Ensuite, «le nombre d'atomes échappés du piège du fait des interactions entre le laser et les atomes piégés» a été compté.

Le nouveau résultat de la collaboration ALPHA, qui fait «progresser la spectroscopie de l’antihydrogène en utilisant non pas une, mais plusieurs fréquences laser, avec des fréquences légèrement plus élevées et légèrement inférieures à la fréquence de transition 1S-2S dans l'hydrogène», a permis «de mesurer la forme spectrale, ou dispersion des couleurs, de la transition 1S-2S  dans l'hydrogène, et de mesurer plus précisément sa fréquence».

Au bout du compte, la forme spectrale «correspond parfaitement à celle attendue pour l'hydrogène», et la fréquence de la transition 1S–2S de l'antihydrogène a pu être déterminée «avec une précision de l'ordre de quelques parties pour mille milliards, un résultat 100 fois plus précis que la mesure de 2016».

En outre, «bien que cette précision soit encore inférieure à celle obtenue pour l'hydrogène, les progrès rapides de la collaboration ALPHA laissent espérer qu'une précision pour l'antihydrogène identique à celle obtenue pour l'hydrogène (et par conséquent des tests sans précédent de la symétrie CPT) est à portée de main».