Expérience antiprotons, Berkeley, 1955
Le Bévatron découvre l’antiproton 
Un article intitulé « Observation of antiprotons », par Owen Chamberlain, Emilio Segrè, Clyde Wiegand et Thomas Ypsilantis, membres de ce qui était alors le Radiation Laboratory de l’Université de Californie à Berkeley aux États-Unis, est paru dans le numéro du 1er novembre 1955 de Lettres d’examen physique. Il annonçait la découverte d’une nouvelle particule subatomique, identique en tous points au proton – sauf que sa charge électrique était négative au lieu de positive. Un mois avant la parution du journal, le New York Times avait mis la nouvelle en première page : découverte d’une nouvelle particule atomique ; Appelé un proton négatif Avec la découverte de l’antiproton, Segrè et ses collègues avaient une nouvelle preuve de la symétrie essentielle de la nature, entre la matière et l’antimatière. « Pour leur découverte de l’antiproton ».
Cinquante ans d’antiprotons [Publié le 02 novembre 2005]
Cela fait 50 ans qu’Emilio Segrè, Owen Chamberlain et leur groupe ont créé pour la première fois un antiproton. Lynn Yarris décrit leur exploit au Bevatron de Berkeley en 1955. Le 1er novembre 1955, Physical Review Letters publia l’article « Observation of antiprotons » d’Owen Chamberlain, Emilio Segrè, Clyde Wiegand et Tom Ypsilantis, dans ce qui était alors connu sous le nom de Radiation Laboratory de l’Université de Californie à Berkeley. Cet article, qui annonçait la découverte de l’antiproton (pour lequel Chamberlain et Segrè se partageraient le prix Nobel de physique 1959), n’avait été reçu que huit jours plus tôt. Cependant, l’histoire de la découverte de l’antiproton commence réellement en 1928, lorsque l’excentrique et brillant physicien britannique Paul Dirac formule une théorie décrivant le comportement relativiste des électrons dans les champs électriques et magnétiques.
L’équation de Dirac était unique pour son époque car elle tenait compte à la fois de la théorie de la relativité restreinte d’Albert Einstein et des effets de la physique quantique proposés par Edwin Schrödinger et Werner Heisenberg. Bien que cela fonctionnait bien sur le papier, l’équation plutôt simple de Dirac comportait une implication des plus provocatrices : elle permettait des valeurs négatives aussi bien que positives pour l’énergie E. Au départ, peu de physiciens considéraient sérieusement l’idée de Dirac car personne n’avait jamais observé de particules d’énergie négative. Du point de vue de la physique et du bon sens, l’énergie d’une particule ne peut être que positive.
Les attitudes envers l’équation de Dirac ont radicalement changé en 1932, lorsque Carl David Anderson a rapporté l’observation d’un électron chargé négativement dans un projet au California Institute of Technology qui a débuté avec son mentor, Robert Millikan. Anderson nomma la nouvelle particule le « positron ». Dirac et Anderson gagneraient tous deux le prix Nobel de physique pour leurs découvertes. Dirac a partagé le prix Nobel de 1933 avec Schrödinger et Anderson a partagé le prix Nobel de 1936 avec Victor Hess. Cependant, l’existence du positron, la contrepartie antimatière de l’électron, a soulevé la question d’une contrepartie antimatière du proton.
Alors que la théorie de Dirac continuait d’expliquer avec succès les phénomènes associés aux électrons et aux positrons, il s’ensuivait – du point de vue révisé de la physique et du bon sens – qu’elle devrait également expliquer avec succès les protons. Cela exigerait alors l’existence d’une contrepartie d’antimatière. La recherche de l’antiproton était en cours, mais elle démarrerait très lentement, car il faudrait encore deux décennies avant qu’une machine capable de produire une telle particule ne devienne disponible.
Entrez dans le Bévatron
Anderson a découvert le positon avec une chambre à brouillard lors d’études sur les rayons cosmiques, mais il était extrêmement difficile, voire impossible, d’utiliser la même approche pour trouver l’antiproton. Si les physiciens devaient trouver l’antiproton, ils devaient d’abord en fabriquer un.
En 1954, Lawrence a commandé l’accélérateur Bevatron pour atteindre des énergies de plusieurs milliards d’électron-volts – alors désignés BeV (maintenant universellement connu sous le nom de GeV) – à construire dans son laboratoire de rayonnement à Berkeley. (À la mort de Lawrence en 1958, le laboratoire a été rebaptisé Lawrence Berkeley National Laboratory.) Ce synchrotron à protons à faible focalisation a été conçu pour accélérer des protons jusqu’à 6,5 GeV. Bien qu’il n’ait jamais atteint son objectif officiel, le Bevatron a été construit pour poursuivre l’antiproton. Comme Chamberlain l’a noté dans sa conférence de lauréat du prix Nobel, Lawrence et son proche collègue, Edwin McMillan, qui ont co-découvert le principe de l’accélération synchronisée et inventé le terme « synchrotron », étaient bien conscients des 6 GeV nécessaires pour produire des antiprotons et ont assuré la Bevatron pourrait y arriver.
Armés d’une machine qui avait le muscle énergétique pour fabriquer des antiprotons, Lawrence et McMillan ont formé deux équipes pour s’attaquer à la particule insaisissable. Une équipe était dirigée par Edward Lofgren, qui gérait les opérations du Bevatron. L’autre était dirigé par Segrè et Chamberlain. Segrè avait été le premier étudiant à obtenir son diplôme de physique à l’Université de Rome sous Enrico Fermi. Il avait, à l’aide d’un des cyclotrons de Lawrence, découvert le technétium, le premier élément chimique produit artificiellement.
Il était également l’un des scientifiques qui ont déterminé qu’une bombe à base de plutonium était faisable, et ses expériences sur la diffusion des neutrons et des protons et la polarisation des protons ont ouvert de nouvelles voies dans la compréhension des forces nucléaires. Chamberlain avait également étudié sous Fermi, ainsi que sous Segrè. Fabriquer un antiproton n’était que la moitié de la tâche ; un défi non moins redoutable était de concevoir un moyen d’identifier la bête une fois qu’elle avait été engendrée. Pour chaque antiproton créé, 40 000 autres particules seraient créées. Le temps nécessaire pour éliminer l’antiproton du troupeau environnant serait bref : environ 10 -7 s après son apparition, un antiproton entre en contact avec un proton et les deux particules sont annihilées.Selon Chamberlain, toujours d’après sa conférence Nobel, il était entendu dès le départ qu’au moins deux quantités indépendantes devraient être mesurées pour la même particule pour l’identifier comme un antiproton. Après avoir examiné plusieurs possibilités, il a été décidé qu’elles devraient être la quantité de mouvement et la vitesse.
Mesurer l’élan 
Pour mesurer l’impulsion, l’équipe de recherche a utilisé un système de lentilles quadripolaires magnétiques, qui leur a été suggéré par Oreste Piccioni, un expert des aimants quadripolaires et de l’extraction de faisceau, qui était alors au Laboratoire national de Brookhaven. L’idée était de configurer le système de manière à ce que seules les particules d’un certain intervalle d’impulsion puissent passer. Alors que le faisceau de protons du Bevatron frappait une cible sous la forme d’un bloc de cuivre, des fragments de collisions nucléaires émergeaient dans toutes les directions. Alors que la plupart de ces fragments étaient perdus, certains passeraient par le système. Pour des valeurs d’impulsion spécifiquement définies, les particules négatives parmi les fragments capturés seraient déviées par les lentilles magnétiques dans et à travers les ouvertures du collimateur.
Pour mesurer la vitesse, qui a été utilisée pour séparer les antiprotons des pions négatifs, les chercheurs ont déployé une combinaison de compteurs à scintillation et une paire de détecteurs Cherenkov. Les compteurs à scintillation servaient à chronométrer le vol de particules entre deux feuilles de scintillateur distantes de 12 m. Sous l’impulsion spécifique définie par Segrè, Chamberlain et leurs collaborateurs, les pions relativistes ont parcouru cette distance 11 ns plus rapidement que les 51 ns nécessaires aux antiprotons plus lourds. Les signaux des deux scintillateurs ont été configurés pour coïncider uniquement s’ils provenaient d’un antiproton. Cependant, comme il est possible que deux pions aient exactement le bon espacement pour imiter le signal d’un antiproton, les chercheurs ont également utilisé les détecteurs Cherenkov.
Un détecteur Cherenkov était quelque peu conventionnel en ce sens qu’il utilisait un milieu fluorocarboné liquide. Il a été surnommé le « compteur de garde » car il pouvait mesurer la vitesse des particules se déplaçant plus rapidement qu’un antiproton. Le deuxième détecteur, qui a été conçu par Chamberlain et Wiegand, utilisait un milieu de quartz, et seules les particules se déplaçant à la vitesse prévue pour les antiprotons le déclenchaient.
Parallèlement aux expériences sur l’impulsion et la vitesse, le physicien de Berkeley Gerson Goldhaber et Edoardo Amaldi de Rome ont mené une expérience connexe utilisant des empilements d’émulsion photographique. Si une particule suspecte était vraiment un antiproton, les chercheurs de Berkeley s’attendaient à voir l’image d’étoile caractéristique d’un événement d’annihilation. Ici, l’antiproton et un proton ou un neutron d’un noyau ordinaire, vraisemblablement celui d’un atome d’argent ou de brome dans l’émulsion photographique, mourraient simultanément.
Succès !
Les expériences antiprotons de Segrè et Chamberlain et de leurs collaborateurs commencèrent la première semaine d’août 1955. Leur premier passage sur le Bevatron dura cinq jours consécutifs. Lofgren et ses collaborateurs ont mené leurs expériences pendant les deux semaines suivantes. Le groupe Segrè et Chamberlain est revenu le 29 août et a mené des expériences jusqu’à ce que le Bevatron tombe en panne le 5 septembre. Le 21 septembre, une semaine après que les équipes d’exploitation aient relancé le Bevatron, le groupe de Lofgren devait commencer une course de quatre jours, mais à la place, il a cédé son temps à Segrè et Chamberlain.
Ce jour-là, les futurs lauréats du prix Nobel et leur équipe ont trouvé leur première preuve de l’antiproton basée sur la quantité de mouvement et la vitesse. Une analyse ultérieure des images de la pile d’émulsions a révélé la signature de l’étoile d’annihilation qui a confirmé la découverte. En tout, Segrè. L’annonce publique de la découverte de l’antiproton a reçu un accueil mitigé. Le New York Times a proclamé avec enthousiasme « New Atom Particle Found ; Appelé un proton négatif », tandis que le journal de la ville natale de la particule, la Gazette de Berkeley, annonçait sombrement « une sinistre nouvelle trouvaille à l’UC ». On avait dit au journaliste de Berkeley que si un antiproton entrait en contact avec une personne, cette personne exploserait. Aujourd’hui, 50 ans plus tard, les antiprotons sont devenus un incontournable des expériences de physique des hautes énergies, avec des billions produits au CERN et au Fermilab, et aucun décès humain connu.
Antimatière
En 1928, le physicien britannique Paul Dirac a écrit une équation combinant la théorie quantique et la relativité restreinte pour décrire le comportement d’un électron se déplaçant à une vitesse relativiste. L’équation – qui a valu à Dirac le prix Nobel en 1933 – posait un problème : de même que l’équation x² = 4 peut avoir deux solutions possibles (x = 2 ou x = −2), de même l’équation de Dirac pouvait avoir deux solutions, une pour un électron d’énergie positive et un pour un électron d’énergie négative. Mais la physique classique (et le bon sens) dictaient que l’énergie d’une particule devait toujours être un nombre positif. Dirac a interprété l’équation comme signifiant que pour chaque particule, il existe une antiparticule correspondante, correspondant exactement à la particule mais avec une charge opposée. Par exemple, pour l’électron, il devrait y avoir un « antiélectron », ou « positon », identique en tout point mais avec une charge électrique positive. Cette perspicacité a ouvert la possibilité de galaxies et d’univers entiers constitués d’antimatière.
Mais lorsque la matière et l’antimatière entrent en contact, elles s’annihilent et disparaissent dans un éclair d’énergie. Le Big Bang aurait dû créer des quantités égales de matière et d’antimatière. Alors pourquoi y a-t-il bien plus de matière que d’antimatière dans l’univers ? Au CERN, les physiciens fabriquent de l’antimatière pour l’étudier dans des expériences. Le point de départ est le décélérateur d’antiprotons, qui ralentit les antiprotons afin que les physiciens puissent étudier leurs propriétés.
Antiproton
En 1955, une nouvelle sous-particule atomique appelée proton négatif (antiproton) a été découverte à U.C. Berkeley. La chasse à l’antimatière a véritablement commencé en 1932, avec la découverte du positron, une particule de la masse d’un électron et d’une charge positive. Cependant, la création d’un antiproton serait beaucoup plus difficile car il nécessite près de 2 000 fois plus d’énergie. En 1955, le « atom smasher » le plus puissant du monde, le Bevatron construit à Berkeley pouvait fournir l’énergie nécessaire. La détection a été réalisée avec un labyrinthe d’aimants et de compteurs électroniques à travers lesquels seuls les antiprotons pouvaient passer. Après plusieurs heures de bombardement de cuivre avec des protons accélérés à 6,2 milliards d’électrons-volts d’énergie, les scientifiques ont compté un total de 60 antiprotons.
https://www.sciencephoto.fr/image/11653648-Anti-proton-experiment-Berkeley-1955
https://cerncourier.com/a/fifty-years-of-antiprotons/
https://home.cern/science/physics/antimatter