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Par Laurent Sacco, Futura-Sciences
On sait les produire depuis 15 ans mais ils restaient jusque-là insaisissables : des atomes d’antihydrogène viennent d'être piégés pendant une éternité – un dixième de seconde – par des chercheurs du Cern. De quoi les étudier tranquillement et, peut-être, en apprendre plus sur l’énigme de l’antimatière cosmologique et sur l'existence de l’antigravité.
Depuis la découverte théorique de l’antimatière par Paul Dirac en 1928, la découverte expérimentale de l’antiélectron en 1932 par Carl Anderson et la production d’antiprotons en 1955, il aura fallu du temps pour créer des antiatomes d’hydrogène. L'exploit fut réalisé au Cern en 1995 et ce n'est qu'en 2002, lors de l’expérience Athena, que des antiatomes ont pu être produits en grandes quantités.
Entre-temps, l’antimatière est devenue une réalité grâce aux accélérateurs de particules. La médecine se sert même du positron, l’antiparticule de l’électron, dans la tomographie par émission de positrons (TEP). Cette méthode d'imagerie médicale mesure en trois dimensions l'activité métabolique d'un organe grâce aux émissions de positrons issus de la désintégration d'un produit radioactif injecté au préalable.
Il ne s'agit là que de particules et non d'atomes. Certes, on avait déjà créé et observé, en 1951, des états liés de particules d’antimatière, comme le positronium (un électron et un antiélectron), mais c'est une tout autre affaire de construire l’équivalent d'atomes dont on aurait inversé les signes des charges de chacune des particules et surtout de les piéger.
C'est l'exploit qui vient d'être réussi au Cern, avec l’expérience Alpha (Antihydrogen Laser Physics Apparatus), qui a produit des atomes composés d'un antiproton et d'un antiélectron (ou positron) et qui permet d'en envisager l'étude.
Les mystères de l'antimatière
La grande question est de savoir si des antiatomes sont vraiment les équivalents des atomes de matière. Ont-ils les mêmes spectres d’émissions ? Autrement dit, la lumière d’une antigalaxie est-elle indiscernable de celle d’une galaxie composée de matière « normale » ? Tombent-ils de la même façon dans le champ de gravitation de la Terre ou d’un trou noir ? On a des raisons théoriques de répondre par l’affirmative à ces questions, mais comme toujours en science, c’est à l’expérience d’en décider...
Il existe ainsi un puissant théorème mathématique prouvé d’abord par le prix Nobel de physique Julian Schwinger en 1951, puis de façon plus rigoureuse et complète en 1954 par Gerhart Lüders et Wolfgang Pauli : le théorème CPT. Ce théorème doit être valable pour toutes les théories quantiques de champs relativistes.
Il stipule que ces théories, comme celles décrivant le modèle standard des particules élémentaires, doivent présenter une propriété appelée symétrie CPT. Celle-ci affirme que si toutes les particules de l’univers observable étaient changées en leur antiparticule, aucune expérience ne pourrait nous permettre de le savoir. Si ce n’était pas le cas, il faudrait probablement revoir les fondements de la théorie de la relativité restreinte et l’on serait en présence d'une violation de l’invariance de Lorentz.
On se demande aussi depuis longtemps si une particule d’antimatière ne se comporte pas comme une charge électrique du point de vue de la gravitation. Le cas échéant, on pourrait introduire la notion d’antigravité et donc imaginer des forces répulsives. Pour le moment, les expériences ne sont pas favorables à cette conclusion mais il s’agit peut-être d’une simple question de sensibilité des instruments.
La parole est aux expériences
Afin d'aborder ces problèmes de façon expérimentale, il est nécessaire de créer des atomes d’antihydrogène. Pour répondre à la première question (les antiatomes sont-ils vraiment les équivalents des atomes de matière ?), on peut étudier les transitions atomiques d’un tel atome afin de déterminer si elles sont identiques à celles d’un atome d’hydrogène. Pour cela, il faut disposer d’un gaz d’antiatomes d’hydrogène très froid et provoquer des transitions à l’aide d’un laser ou de microondes.
Pour répondre à la seconde question (une particule d’antimatière ne se comporte-t-elle pas comme une charge électrique du point de vue de la gravitation ?), on peut étudier la répartition de la densité d’un gaz d’antiatomes d’hydrogène (refroidi à quelques millikelvins) selon l’altitude dans un piège atomique.
Dans tous les cas, il faut disposer d’antiatomes d’hydrogène piégés. C'est ce qu'a réussi à faire le groupe de chercheurs du Cern travaillant sur l'expérience alpha. Dans un premier temps, une partie des protons initialement destinés au LHC ont été accélérés pour entrer en collision avec une cible fixe en métal. Des antiprotons ont alors été produits, décélérés, refroidis et stockés dans l'Antiproton Decelerator (AD) du Cern.
Parallèlement, des positrons issus de la désintégration radioactive d’un isotope du sodium, 22Na, ont été collectés. Les paquets d’antiprotons et de positrons à basses énergies sont ensuite injectés dans un piège où ils se combinent pour former des antiatomes d’hydrogène neutres. On les maintient dans ce piège à l'aide d'un champ magnétique. Ces atomes possèdent en effet un moment magnétique et se comportent donc comme de petits aimants.
Le Vatican peut dormir tranquille...
Sur les milliers d’atomes d’antihydrogène produits lors de l’expérience Alpha, seuls 38 ont été piégés suffisamment longtemps pour être étudiés, mais ce nombre devrait rapidement augmenter. L'exercice est délicat car il est difficile d’empêcher de tels atomes d’entrer en contact avec des protons ou des électrons, lesquels s’annihilent avec leurs antiparticules correspondantes. On arrive tout de même à piéger les antiatomes pendant un dixième de seconde.
Si une différence de comportement entre matière et antimatière était observée, cela permettrait peut-être d'expliquer pourquoi il n'existe quasiment pas d'antimatière dans notre univers observable. Nous en sommes presque sûrs mais l'expérience AMS qui va bientôt prendre place à bord de l'ISS pourrait nous apporter des surprises.
En attendant, les membres de l'expérience Alpha ont publié dans Nature les résultats de leurs travaux. Inutile de préciser que la quantité d'antihydrogène stockée est si faible qu'on n'est pas près de réaliser la bombe du roman Anges et Démons de Dan Brown, qui mettait le Vatican en péril...
On peut aussi consulter une vidéo (en anglais) dans laquelle le porte-parole de la collaboration Alpha, Jeffery Hangst, répond aux questions suivantes : Qu'est-ce que l'antimatière ? Que faites-vous avec l'expérience Alpha ? Quoi de neuf à ce sujet ? Quel est le but de la recherche avec de l'antimatière ? Combien de personnes travaillent sur Alpha ? Quel est le budget ? Pouvez-vous décrire l'appareil au Cern ? Comment savez-vous que vous avez fait de l'antihydrogène ?
On sait les produire depuis 15 ans mais ils restaient jusque-là insaisissables : des atomes d’antihydrogène viennent d'être piégés pendant une éternité – un dixième de seconde – par des chercheurs du Cern. De quoi les étudier tranquillement et, peut-être, en apprendre plus sur l’énigme de l’antimatière cosmologique et sur l'existence de l’antigravité.
Depuis la découverte théorique de l’antimatière par Paul Dirac en 1928, la découverte expérimentale de l’antiélectron en 1932 par Carl Anderson et la production d’antiprotons en 1955, il aura fallu du temps pour créer des antiatomes d’hydrogène. L'exploit fut réalisé au Cern en 1995 et ce n'est qu'en 2002, lors de l’expérience Athena, que des antiatomes ont pu être produits en grandes quantités.
Entre-temps, l’antimatière est devenue une réalité grâce aux accélérateurs de particules. La médecine se sert même du positron, l’antiparticule de l’électron, dans la tomographie par émission de positrons (TEP). Cette méthode d'imagerie médicale mesure en trois dimensions l'activité métabolique d'un organe grâce aux émissions de positrons issus de la désintégration d'un produit radioactif injecté au préalable.
Il ne s'agit là que de particules et non d'atomes. Certes, on avait déjà créé et observé, en 1951, des états liés de particules d’antimatière, comme le positronium (un électron et un antiélectron), mais c'est une tout autre affaire de construire l’équivalent d'atomes dont on aurait inversé les signes des charges de chacune des particules et surtout de les piéger.
C'est l'exploit qui vient d'être réussi au Cern, avec l’expérience Alpha (Antihydrogen Laser Physics Apparatus), qui a produit des atomes composés d'un antiproton et d'un antiélectron (ou positron) et qui permet d'en envisager l'étude.
Les mystères de l'antimatière
La grande question est de savoir si des antiatomes sont vraiment les équivalents des atomes de matière. Ont-ils les mêmes spectres d’émissions ? Autrement dit, la lumière d’une antigalaxie est-elle indiscernable de celle d’une galaxie composée de matière « normale » ? Tombent-ils de la même façon dans le champ de gravitation de la Terre ou d’un trou noir ? On a des raisons théoriques de répondre par l’affirmative à ces questions, mais comme toujours en science, c’est à l’expérience d’en décider...
Il existe ainsi un puissant théorème mathématique prouvé d’abord par le prix Nobel de physique Julian Schwinger en 1951, puis de façon plus rigoureuse et complète en 1954 par Gerhart Lüders et Wolfgang Pauli : le théorème CPT. Ce théorème doit être valable pour toutes les théories quantiques de champs relativistes.
Il stipule que ces théories, comme celles décrivant le modèle standard des particules élémentaires, doivent présenter une propriété appelée symétrie CPT. Celle-ci affirme que si toutes les particules de l’univers observable étaient changées en leur antiparticule, aucune expérience ne pourrait nous permettre de le savoir. Si ce n’était pas le cas, il faudrait probablement revoir les fondements de la théorie de la relativité restreinte et l’on serait en présence d'une violation de l’invariance de Lorentz.
On se demande aussi depuis longtemps si une particule d’antimatière ne se comporte pas comme une charge électrique du point de vue de la gravitation. Le cas échéant, on pourrait introduire la notion d’antigravité et donc imaginer des forces répulsives. Pour le moment, les expériences ne sont pas favorables à cette conclusion mais il s’agit peut-être d’une simple question de sensibilité des instruments.
La parole est aux expériences
Afin d'aborder ces problèmes de façon expérimentale, il est nécessaire de créer des atomes d’antihydrogène. Pour répondre à la première question (les antiatomes sont-ils vraiment les équivalents des atomes de matière ?), on peut étudier les transitions atomiques d’un tel atome afin de déterminer si elles sont identiques à celles d’un atome d’hydrogène. Pour cela, il faut disposer d’un gaz d’antiatomes d’hydrogène très froid et provoquer des transitions à l’aide d’un laser ou de microondes.
Pour répondre à la seconde question (une particule d’antimatière ne se comporte-t-elle pas comme une charge électrique du point de vue de la gravitation ?), on peut étudier la répartition de la densité d’un gaz d’antiatomes d’hydrogène (refroidi à quelques millikelvins) selon l’altitude dans un piège atomique.
Dans tous les cas, il faut disposer d’antiatomes d’hydrogène piégés. C'est ce qu'a réussi à faire le groupe de chercheurs du Cern travaillant sur l'expérience alpha. Dans un premier temps, une partie des protons initialement destinés au LHC ont été accélérés pour entrer en collision avec une cible fixe en métal. Des antiprotons ont alors été produits, décélérés, refroidis et stockés dans l'Antiproton Decelerator (AD) du Cern.
Parallèlement, des positrons issus de la désintégration radioactive d’un isotope du sodium, 22Na, ont été collectés. Les paquets d’antiprotons et de positrons à basses énergies sont ensuite injectés dans un piège où ils se combinent pour former des antiatomes d’hydrogène neutres. On les maintient dans ce piège à l'aide d'un champ magnétique. Ces atomes possèdent en effet un moment magnétique et se comportent donc comme de petits aimants.
Le Vatican peut dormir tranquille...
Sur les milliers d’atomes d’antihydrogène produits lors de l’expérience Alpha, seuls 38 ont été piégés suffisamment longtemps pour être étudiés, mais ce nombre devrait rapidement augmenter. L'exercice est délicat car il est difficile d’empêcher de tels atomes d’entrer en contact avec des protons ou des électrons, lesquels s’annihilent avec leurs antiparticules correspondantes. On arrive tout de même à piéger les antiatomes pendant un dixième de seconde.
Si une différence de comportement entre matière et antimatière était observée, cela permettrait peut-être d'expliquer pourquoi il n'existe quasiment pas d'antimatière dans notre univers observable. Nous en sommes presque sûrs mais l'expérience AMS qui va bientôt prendre place à bord de l'ISS pourrait nous apporter des surprises.
En attendant, les membres de l'expérience Alpha ont publié dans Nature les résultats de leurs travaux. Inutile de préciser que la quantité d'antihydrogène stockée est si faible qu'on n'est pas près de réaliser la bombe du roman Anges et Démons de Dan Brown, qui mettait le Vatican en péril...
On peut aussi consulter une vidéo (en anglais) dans laquelle le porte-parole de la collaboration Alpha, Jeffery Hangst, répond aux questions suivantes : Qu'est-ce que l'antimatière ? Que faites-vous avec l'expérience Alpha ? Quoi de neuf à ce sujet ? Quel est le but de la recherche avec de l'antimatière ? Combien de personnes travaillent sur Alpha ? Quel est le budget ? Pouvez-vous décrire l'appareil au Cern ? Comment savez-vous que vous avez fait de l'antihydrogène ?