Monitoring antiproton numbers with a CMOS detector in a dense-track environment

Au cœur du laboratoire du CERN en Suisse, des scientifiques travaillent pour comprendre pourquoi l'univers est composé de matière. Dans les instants qui ont suivi le Big Bang, la matière et l'antimatière auraient dû être créées en quantités égales, pour ensuite s'annihiler instantanément l'une l'autre. Pourtant, nous sommes là, entourés de matière. Pour résoudre ce mystère, les chercheurs étudient l'antimatière avec une précision extrême, cherchant la moindre différence dans sa façon de se comporter par rapport à la matière normale. L'une de ces expériences, appelée GBAR, vise à créer des atomes d'antihydrogène — des images miroirs de l'hydrogène ordinaire — et à les lâcher pour voir comment la gravité les affecte. Pour ce faire, l'équipe doit d'abord rassembler un nombre spécifique de antiprotons, les blocs de construction à charge négative de l'antimatière, et les ralentir jusqu'à un mouvement de reptation très lent. Le défi réside dans le fait que ces particules sont invisibles et disparaissent dès qu'elles touchent la matière ordinaire, ce qui rend extrêmement difficile de savoir exactement combien sont présentes à un instant donné. Sans un décompte précis, les mesures délicates nécessaires pour tester les lois de la physique deviennent impossibles.

Pour résoudre ce problème de comptage, l'équipe de GBAR a développé une méthode ingénieuse utilisant un appareil photo numérique modifié pour observer les conséquences des collisions de particules. À l'intérieur de leur chambre à vide, ils dirigent un faisceau de antiprotons vers une surface de détection spécialisée composée de minuscules tubes de verre. Lorsqu'un antiproton frappe cette surface, il s'annihile, disparaît et libère une bouffée d'énergie qui projette un nuage de nouvelles particules rapides. L'équipe a réalisé que si elle pouvait compter ces particules projetées, elle pourrait remonter en arrière pour déterminer exactement combien de antiprotons étaient arrivés. Ils ont monté un appareil photo numérique commercial, débarrassé de son objectif et enveloppé de papier aluminium opaque, à l'extérieur de la chambre à vide. Cet appareil est équipé d'un capteur hautement sensible composé de millions de pixels microscopiques, semblables à ceux que l'on trouve dans les smartphones mais bien plus précis. Lorsque le jet de particules issu de l'annihilation frappe le capteur, il laisse derrière lui de minuscules traces de charge électrique, que l'appareil photo enregistre sous forme de grappes de lumière distinctes.

Les chercheurs ont été confrontés à un obstacle important : l'environnement est encombré de particules, et la surface où les antiprotons frappent est complexe et irrégulière. Ils devaient s'assurer que l'appareil photo puisse distinguer un événement de antiproton unique du bruit de fond, et qu'il puisse gérer des millions d'événements sans s'embrouiller. Grâce à des tests minutieux, ils ont découvert que le capteur de l'appareil est presque parfait pour cette tâche. Il est si sensible qu'il détecte presque chaque particule qui le traverse, tout en restant aveugle au rayonnement de fond qui perturbe habituellement les autres détecteurs. En analysant la taille et la forme des grappes de lumière sur le capteur, l'équipe a pu déterminer l'angle d'arrivée des particules et même estimer l'épaisseur de la couche active du capteur. Ils ont découvert que pour chaque antiproton frappant la cible, un nombre prévisible de nouvelles particules chargées émerge, créant une signature fiable que l'appareil peut compter avec une grande précision.

Pour transformer ces comptages en un nombre exact de antiprotons, l'équipe a dû tenir compte de la géométrie de leur installation et du comportement des particules lors de leur trajet de la cible vers l'appareil photo. Ils ont utilisé de puissantes simulations informatiques pour modéliser le mouvement des particules à travers le vide et leurs interactions avec l'équipement environnant. Ces simulations les ont aidés à comprendre que le nombre de particules atteignant l'appareil dépend de la distance par rapport à la cible et des matériaux spécifiques que les particules traversent. En comparant les comptages de l'appareil à deux endroits différents — l'un proche de la source du faisceau et l'autre plus loin sur la ligne — ils ont pu calibrer leur système. Ils ont constaté que le rapport de particules détectées aux deux endroits correspondait à leurs modèles informatiques, confirmant ainsi la validité de leur méthode. Cela leur a permis de créer une formule simple : en comptant les grappes sur l'appareil photo et en connaissant la distance ainsi que le nombre moyen de particules produites par antiproton, ils pouvaient calculer le nombre total de antiprotons dans le faisceau.

Le résultat est une nouvelle façon de mesurer l'antimatière qui est à la fois robuste et précise. L'équipe a démontré que sa méthode peut reconstruire des millions d'annihilations de antiprotons avec une marge d'erreur totale d'environ dix pour cent. Ce niveau de précision est atteint car l'appareil photo compte directement les particules, contournant ainsi de nombreuses incertitudes qui affectent d'autres techniques de mesure. L'approche minimise les erreurs causées par la surface complexe de la cible ou par le nombre variable de particules produites lors de chaque collision, car ces facteurs s'annulent lorsque le système est calibré par rapport à une intensité de faisceau connue. Le succès de cette technique signifie que l'expérience GBAR peut désormais surveiller son approvisionnement en antiprotons avec une grande confiance, garantissant que les étapes suivantes de la création et de l'étude de l'antihydrogène reposent sur une base solide. C'est une victoire discrète mais essentielle, transformant un jet chaotique de débris subatomiques en un signal clair et dénombrable qui rapproche les scientifiques de la compréhension de la nature fondamentale de notre univers.