Au Cern, les recherches se poursuivent sur les antiprotons et les atomes d'antihydrogène. Le but : trouver des différences entre les protons et les antiprotons. © Maximilien Brice, Cern

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Antimatière : le Cern planche toujours sur une énigme de la cosmologie

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Au Cern, les membres de la collaboration Base (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) tentent de découvrir des différences entre particules de matière et d'antimatière, une des clés de la cosmologie et de la physique fondamentale. Ils viennent d'obtenir des résultats six fois plus précis concernant la comparaison des moments magnétiques des protons et des antiprotons via leurs facteurs de Landé.

Le modèle standard en physique des particules a été spectaculairement vérifié une fois de plus et avec un niveau de précision supplémentaire dans les expériences menées au LHC. La découverte puis l'étude des propriétés du boson de Brout-Englert-Higgs sont bien sûr emblématiques de la solidité de ce modèle, mais pour les physiciens des hautes énergies, ce qui l'est vraiment, c'est probablement l'efficacité avec laquelle la théorie quantique relativiste des champs du modèle standard permet de calculer ce qui se passe dans les collisions entre protons et les gerbes de nouvelles particules produites dans les détecteurs comme Atlas, CMS, Alice et LHCb.

Mais paradoxalement, elle ne permet pas de comprendre vraiment pourquoi l'univers observable est constitué de façon écrasante de matière. Appliqué au Big Bang, le modèle standard nous dit en effet que nous devrions trouver autant de matière que d'antimatière autour de nous. Ce n'est évidemment pas le cas et nous ne constatons pas un intense rayonnement gamma, qui serait le produit de leur annihilation, baignant tout l'univers. 

Une présentation du Cern en trois minutes. © Cern

Il s'agit d'une des plus grandes énigmes de la cosmologie. Or lorsqu'un raisonnement logique conduit à des résultats en contradiction avec l'expérience alors qu'il a été mené sans faute, c'est qu'il faut modifier les hypothèses de base. En l'occurrence, les physiciens pensent qu'il devrait y avoir de subtiles différences entre les particules de matière et celles d'antimatière. Pour cela, ils les traquent en mesurant certaines quantités physiques associées aux protons et aux antiprotons, par exemple dans le cadre de l'expérience Base (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) au Cern, dont Futura-Sciences avait déjà rapporté les précédents résultats (voir article ci-dessous). Les chercheurs du Cern ont poussé leurs investigations un cran plus loin comme ils l'expliquent dans un article publié dans Nature Communications.

Des facteurs de Landé identiques pour protons et antiprotons

Normalement, notamment en raison du théorème CPT en théorie quantique des champs, il ne devrait pas y avoir de différences entre ce que l'on appelle le moment magnétique des protons et celui des antiprotons. Ce moment dépend du rapport de la charge électrique sur la masse des particules, mais aussi du produit de cette quantité par un facteur noté g. C'est une généralisation d'une grandeur introduite en physique atomique en 1921 par Alfred Landé, un physicien germano-américain.

Si les deux rapports étaient différents, et cela même si cette distinction n'apparait qu'à la énième décimale, cela constituerait une révolution en physique non seulement parce qu'elle nous rapprocherait de la solution de l'énigme de l'antimatière en cosmologie, mais qu'elle saperait une des bases du modèle standard les plus fondamentales. Il faudrait en effet revoir la théorie de la relativité restreinte.

Hélas, les mesures n'ont pour le moment pas montré un tel écart même si elles ont été améliorées d'un facteur 6. Mais selon les chercheurs, qui vont mettre en pratique une nouvelle technique pour raffiner ces mesures, ils devraient pouvoir obtenir une amélioration d'un facteur 200 à 800 dans un avenir proche, c'est-à-dire atteindre une précision de l'ordre de quelques milliardièmes pour la mesure du facteur g.

Cependant cela ne sera guère facile. Pour mener à bien l'expérience précédente, les chercheurs avaient déjà dû piéger des antiprotons formant un gaz proche du zéro absolu (environ 1 kelvin) pendant plus d'un an. Une sorte de bouteille magnétique était nécessaire car ces antiprotons ne devaient pas entrer en contact avec des protons sans quoi ils se seraient annihilés ensemble.

Pour en savoir plus

Le Cern sur la trace des différences entre matière et antimatière

Article de Laurent Sacco publié le 18/08/2015

Au Cern, les membres de la collaboration Base (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) tentent de découvrir des différences entre particules de matière et d'antimatière, une des clés de la cosmologie et de la physique fondamentale. Ils viennent d'obtenir des résultats quatre fois plus précis concernant la comparaison des moments magnétiques des protons et des antiprotons.

Voilà des décennies que les cosmologistes et les physiciens des hautes énergies essaient de résoudre une grande énigme de la cosmologie, celle de l'asymétrie matière-antimatière. En effet, les lois du modèle standard sont formelles : lorsque se crée une particule de matière, il doit aussi se créer une particule d'antimatière (l'antiparticule de la particule qui vient de naître). Protons et antiprotons, électrons et positrons doivent donc apparaître par paires dans des processus à hautes énergies comme ceux qui ont accompagné le Big Bang juste après le temps de Planck. Or, l'univers observable contient, en une proportion écrasante, essentiellement des particules de matière. Où est donc passée l'antimatière manquante ?

De nombreuses hypothèses ont été avancées pour tenter de répondre à cette question. Peut-être que matière et antimatière se repoussent du fait d'un effet d'antigravité. Nous n'avons aucune preuve de l'existence d'un tel effet qui aurait pu séparer le cosmos en deux régions dont l'une contient de la matière et l'autre de l'antimatière. Mais peut-être finirons-nous par en avoir une car les chercheurs du Cern sont sur sa piste.

Il se pourrait aussi qu'en raison de lois physiques qui nous sont inconnues, matière et antimatière ne se comportent pas exactement de la même manière à hautes énergies. Selon certaines théories de grande unification (GUT), un peu plus de matière que d'antimatière aurait ainsi été créée. Après annihilation, un léger excès de matière aurait alors produit le matériau de base des atomes dans l'univers observable. Autre explication possible, l'une des symétries fondamentales des équations de la théorie des champs quantiques relativistes du modèle standard  serait fausse, plus précisément, ce serait le théorème CPT qui serait faux. Là aussi, cela impliquerait qu'un peu plus de matière que d'antimatière a été produit.

De gauche à droite, Emilio Segrè, Clyde Wiegand, Edward Lofgren, Owen Chamberlain et Thomas Ypsilantis, les membres de l'équipe qui a découvert l'antiproton en 1955. © Lawrence Berkeley National Laboratory

C'est une hypothèse assez extrême mais fascinante de par ses conséquences. On peut montrer en effet que, par exemple, si des différences entre un proton et un antiproton étaient mises en évidence sous la forme d'une violation de ce théorème, cela impliquerait que la théorie de la relativité restreinte d'Einstein soit fausse. On pourrait donc imaginer des transmissions d'informations plus rapides que la lumière et c'est peut-être ce qui se produit dans les expériences avec le paradoxe EPR.

Un piège de Penning pour tester la symétrie CPT

Depuis plusieurs années, au Cern, des expériences sont menées avec les antiprotons et les atomes d'antihydrogène pour tenter de découvrir des violations de la symétrie CPT. Les derniers résultats de l'une d'entre elles, BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment), viennent d'être rendus publics dans un article publié dans Nature.

Il s'agissait d'évaluer les moments magnétiques des protons et des antiprotons, ce qui revient pour chacun d'eux à déterminer leur rapport charge sur masse. Pour cela, les physiciens ont utilisé de nouvelles méthodes qui leur ont permis d'obtenir des résultats plus précis que précédemment et de manière plus rapide. Elles font toutefois usage d'un élément déjà employé dans ce type de recherche, le piège de Penning. Il s'agit d'un piège à ions permettant de stocker des particules chargées, grâce à la combinaison d'un champ magnétique uniforme et d'un champ électrique quadripolaire constant. C'est le physicien néerlandais F. M. Penning qui a eu l'idée originale de ce piège en 1936. Le physicien américain et prix Nobel Hans Dehmelt l'a mise en pratique en créant un dispositif particulièrement bien adapté à la mesure précise des propriétés des ions et des particules subatomiques stables possédant une charge électrique.

Wolfgang Pauli en pleine discussion sur les théories relativistes de champs unifiés avec Pascual Jordan en 1955 à Hambourg. Pauli a donné la première démonstration du théorème CPT. Des observations de sa violation avec l'antihydrogène ouvriraient une ère nouvelle en physique théorique et en cosmologie. © Cern

Dans l'expérience BASE, des protons mais aussi des ions négatifs de l'hydrogène, c'est-à-dire avec un électron supplémentaire, ont été utilisés.

Stefan Ulmer, le porte-parole de BASE, a finalement résumé les résultats obtenus de la façon suivante : « Nous avons observé un rapport charge sur masse identique pour ces deux particules, avec une précision de 69 parties par mille milliards, ce qui vient étayer l'hypothèse d'une symétrie fondamentale entre matière et antimatière ».

Aucune trace d'une nouvelle physique n'est donc encore apparue mais, selon Rolf Heuer, l'actuel directeur général du Cern auquel succédera bientôt Fabiola Gianotti« Les recherches menées sur des particules d'antimatière ont fait des progrès exceptionnels ces dernières annéesJe suis vraiment impressionné par le niveau de précision atteint par BASE. C'est très prometteur pour l'ensemble de ce domaine de recherche ».

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