Une étude, dont les résultats intitulés «Observation of the 1S–2S transition in trapped antihydrogen» ont été publiés dans la revue Nature, a permis de fournir la première mesure du spectre optique d’un atome d’antimatière dans le cadre de la collaboration ALPHA, grâce à «des innovations technologiques qui ouvrent une ère complètement nouvelle de la recherche de haute précision sur l’antimatière».

Rappelons tout d'abord que du fait que «l’Univers semble constitué entièrement de matière, il faut, pour pouvoir mesurer le spectre de l’antihydrogène, commencer par produire les constituants des atomes d’antihydrogène, à savoir les antiprotons et les positons, puis les assembler en atomes».

Pour y parvenir, «ALPHA, expérience auprès du Décélérateur d’antiprotons du CERN» a «un dispositif unique en son genre, capable de produire des atomes d’antihydrogène et de retenir ceux-ci dans un piège magnétique spécialement conçu à cet effet, en les manipulant par petites quantités» de sorte que «les atomes d’antihydrogène, une fois piégés, peuvent être étudiés au moyen de lasers ou d’autres sources de rayonnement».

L'entreprise est fastidieuse, «mais cet effort vaut la peine d’être entrepris car toute différence mesurable entre les spectres de l’hydrogène et de l’antihydrogène pourrait remettre en cause les principes fondamentaux de la physique, et nous aider à comprendre l’énigme du déséquilibre entre matière et antimatière dans l’Univers».

Concrètement, «pour fabriquer l’antihydrogène, on mélange des plasmas d’environ 90000 antiprotons, issus du Décélérateur d’antiprotons, avec des positons, ce qui aboutit à la production de quelque 25000 atomes d’antihydrogène par tentative» qui «peuvent être piégés s’ils se déplacent suffisamment lentement au moment de leur création». Ainsi, «en utilisant une technique nouvelle, dans laquelle la collaboration empile les antiatomes résultant de deux cycles de mélange successifs, il est possible de piéger en moyenne 14 antiatomes par tentatives, contre 1,2 seulement avec les méthodes utilisées précédemment».

Ensuite, «en éclairant les atomes piégés au moyen d’un faisceau laser à des fréquences réglées précisément», il est possible d'observer «l’interaction du faisceau avec les états internes de l’antihydrogène»: dans le cas présent, c'est la «transition dite 1S-2S» qui a été observée, car l'état 2S dans l’atome d’hydrogène, qui «a une durée de vie longue, ce qui correspond à une petite largeur naturelle de la raie spectrale», est «particulièrement adapté aux mesures de précision».

La conclusion de l'étude ici présentée, qui «est la première observation d’une raie spectrale dans un atome d’antihydrogène», permettant «de comparer pour la première fois le spectre de lumière de la matière et de l’antimatière», est que, «dans les limites de l’expérience», il n’y a «pas de différence par rapport à la raie spectrale équivalente de l’hydrogène». Elle apparaît donc conforme avec le Modèle standard de la physique des particules qui «prédit que l’hydrogène et l’antihydrogène doivent avoir des caractéristiques spectroscopiques identiques».