Le Modèle standard de la physique des particules décrit toutes les particules fondamentales connues et les forces qui s’exercent entre elles, sauf la gravité. D’après la symétrie charge-parité, qui fait partie de ce modèle, les propriétés fondamentales des particules devraient être égales en valeur et de signe opposé à celles des antiparticules correspondantes. Si l’on parvenait à mesurer la moindre différence en ce qui concerne la masse, la charge, la durée de vie ou le moment magnétique entre les particules de matière et celles d’antimatière, cela aiderait à comprendre pourquoi il y a davantage de matière que d’antimatière dans l’Univers.

L’expérience BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) au CERN compare le moment magnétique et les rapports masse sur charge du proton et de l’antiproton afin de chercher s’ils présentent des différences. Le dispositif d’expérimentation est constitué de quatre pièges de Penning, lesquels maintiennent en place les particules au moyen de champs électromagnétiques. La collaboration BASE a comparé le moment magnétique et les rapports charge sur masse du proton et de l’antiproton, avec une précision de 1,5 partie par milliards et 16 parties par million de millions, respectivement.

Comment fonctionne cette expérience ?

Mesurer directement le moment magnétique nécessite de mesurer deux fréquences : la fréquence de Larmor, qui caractérise la précession du spin d’une particule, et la fréquence cyclotron, qui décrit l’oscillation de la trajectoire d’une particule chargée soumise à un champ magnétique.

Ces mesures de haute précision sont réalisées grâce à un système comprenant plusieurs pièges de Penning : 

• le piège d’analyse, qui identifie l’état de spin de la particule ;
• le piège de précision, qui inverse le spin de la particule tout en mesurant sa fréquence cyclotron ;
• le piège de refroidissement, capable de refroidir rapidement la particule jusqu’à des températures proches de la limite quantique, ce qui permet de détecter l’état de spin avec une haute fidélité ; 
• le piège-réservoir, capable de stocker 50-100 antiprotons (10^-25 kg) pendant des mois d’affilée, permettant ainsi à la collaboration BASE de continuer à fonctionner même en l’absence de faisceau. Il est parvenu à piéger des antiprotons pendant 600 jours, une durée record. 

La haute résolution d’expérience obtenue par la collaboration BASE est actuellement limitée par les fluctuations du champ magnétique induites par les décélérateurs d’AD-ELENA. Afin d’aller aussi loin que possible dans les études de précision sur les protons et les antiprotons, la collaboration a imaginé une stratégie novatrice : faire sortir ces particules de l’installation pour les acheminer dans vers un espace dédié dans un laboratoire de précision, en utilisant le piège à antiprotons portatif BASE-STEP, récemment mis en service avec succès.

Derniers résultats

La collaboration a effectué la comparaison la plus précise à ce jour des rapports charge sur masse des protons et des antiprotons, et a réalisé une étude visant à déterminer si les deux catégories de particules se comportent de la même façon sous l’influence de la gravité. Les résultats ont montré que les comportements sont identiques, avec une incertitude expérimentale de 16 parties par million de millions.

En 2024, l’expérience a développé un nouveau dispositif de refroidissement des antiprotons plus efficace et capable d’augmenter considérablement la précision des mesures de leurs propriétés fondamentales. Elle a également franchi une étape importante en vue du transport d’antimatière en déplaçant sur le site du CERN le dispositif BASE-STEP rempli de protons non liés, démontrant ainsi que la même prouesse pourrait être réalisée avec des antiprotons. 

En 2025, BASE a effectué la première spectroscopie de transition quantique cohérente avec un seul spin d’antiproton, atteignant un temps de cohérence de 50 secondes. Ce système, qui représente en fait la création du premier bit quantique d’antimatière, pourrait améliorer d’un facteur d’au moins 100 la précision des mesures du moment magnétique du proton et de l’antiproton.