Une étude, dont les résultats intitulés «Buffer-gas cooling of antiprotonic helium to 1.5 to 1.7 K, and antiproton-to–electron mass ratio» ont été publiés dans la revue Science, a permis de fournir, grâce à l’expérience ASACUSA (CERN), une nouvelle mesure de précision de la masse de l’antiproton par rapport à celle de l'électron, à partir de mesures spectroscopiques effectuées sur environ deux milliards d'atomes d'hélium antiprotonique refroidis à des températures extrêmement basses, de l'ordre de 1,5 à 1,7 degrés au-dessus du zéro absolu. Elle confirme que l'antiproton a bien la même masse que le proton.

Rappelons tout d'abord que «les particules de matière et d'antimatière sont toujours produites par paires dans les collisions de particules» et qu'une particule et son antiparticule «ont la même masse et une charge électrique opposée». Il n'est cependant pas facile d'étudier les particules d'antimatière avec précision, car «lorsque la matière et l’antimatière entrent en contact, elles s’annihilent et disparaissent dans un éclair d’énergie».

L'expérience ASACUSA a un atout pour relever ce défi: en effet, elle «est capable de créer des atomes hybrides très spéciaux faits d'un mélange de matière et d'antimatière» comme «dans les atomes d'hélium antiprotonique», où «un antiproton prend la place de l’un des électrons qui seraient normalement en orbite autour du noyau». Pour obtenir ces atomes d'hélium antiprotonique, des antiprotons sont mélangés avec de l'hélium gazeux de sorte qu'environ «3% des antiprotons remplacent l'un des deux électrons de l'atome d'hélium».

La méthode employée pour mesurer la masse de l'antiproton est fondée sur la spectroscopie. Plus précisément, un faisceau laser est envoyé sur l'hélium antiprotonique et la fréquence du laser est «ajustée de manière à faire faire aux antiprotons un saut quantique à l'intérieur des atomes». Il est ainsi «possible de calculer la masse de l'antiproton par rapport à la masse de l'électron» grâce à cette fréquence.

Cette méthode avait «été utilisée avec succès précédemment par la collaboration ASACUSA» en vue de «mesurer avec une grande précision la masse de l'antiproton», mais, jusqu'ici, «le 'frétillement' microscopique des atomes d'hélium antiprotonique avait créé une importante source d'incertitude».

Aujourd'hui, le fait d'avoir «réussi à refroidir des atomes d'hélium antiprotonique à des températures proches du zéro absolu en les plaçant en suspension dans un gaz de remplissage réfrigéré» (de l'hélium), a réduit ce frétillement microscopique des atomes, améliorant la précision de la mesure de la fréquence.

Ainsi, «la mesure de la fréquence de transition a été améliorée d'un facteur compris entre 1,4 et 10 par rapport aux expériences précédentes» dans le cadre d'expériences qui «ont été menées entre 2010 et 2014, avec environ deux milliards d'atomes, ce qui correspond à environ 17 femtogrammes d'hélium antiprotonique».

Jusqu'à présent, aucune différence n'a été trouvée entre les masses des protons et antiprotons conformément aux théories admises, «mais en comparant celles-ci avec une précision toujours plus grande, on dispose d’un puissant moyen de mettre à l'épreuve des principes théoriques fondamentaux, tels que la symétrie de CPT» («l'observation d'une brisure même infime de la symétrie CPT remettrait en question nos postulats sur la nature et les propriétés de l'espace-temps»).