Une vue générale de l'expérience Alpha au Cern. Une version améliorée est en élaboration, pour traquer encore plus finement les différences entre matière et antimatière. © Maximilien Brice, Cern

Sciences

Le Cern sur la piste de l'antigravité grâce à Alpha et Aegis

ActualitéClassé sous :Matière , antimatière , antigravité

L'expérience Alpha (Antihydrogen Laser Physics Apparatus), bien que destinée à la mise en évidence d'éventuelles différences entre la matière et l'antimatière, n'avait pas pour but de découvrir l'existence de l'antigravité. Elle vient pourtant de servir à poser de nouvelles bornes sur son existence, qui reste à démontrer.

Les équations de la relativité générale partagent certaines caractéristiques communes avec celles de l'électromagnétisme. Ce sont en effet des équations du même type que celles décrivant des champs de Yang-Mills. On pourrait alors penser qu'il doit exister l'équivalent des charges électriques négatives et positives, et donc des forces répulsives entre des particules de matière normale et d'autres de nature à déterminer. Des candidates viennent tout de suite à l'esprit : les particules d'antimatière. Par analogie avec la loi de Coulomb en électrostatique, on pourrait supposer aussi que l'existence d'une antigravité, donc des forces répulsives, entre des masses positives et des masses négatives.

Toutefois, on a toutes les raisons de croire que les particules d'antimatière ont des masses positives. Le fameux théorème CPT semble impliquer que ces particules devraient tomber dans un champ de gravitation, comme des particules de matière normales. Un atome d'antihydrogène devrait, de même, respecter le fameux principe d’équivalence.

Une illustration pour comprendre l’idée de la quête de l'antigravité. À gauche, un atome d'hydrogène avec un électron (charge -) tournant autour d'un proton (charge +) pèse-t-il autant que l'atome d'antihydrogène, à droite, avec un positron (+) tournant autour d'un antiproton (-) ? © Cern

De l'antigravité en cosmologie ?

Certains chercheurs se demandent, malgré tout, si les résultats expérimentaux et les arguments théoriques qui ont été avancés pour nier une éventuelle antigravité associée à l'antimatière, sont si convaincants que cela. Ils font remarquer que l'énigme de l'antimatière cosmologique implique que matière et antimatière ne se comportent pas vraiment de la même manière. Et si celles-ci avaient été obligées de se séparer au moment du Big Bang, du fait de forces de répulsion liées à de l'antigravité ?

On expliquerait ainsi pourquoi on n'observe pas autant de matière que d'antimatière, cette dernière s'étant enfuie dans une région de l'espace hors de portée de nos instruments, au-delà des régions d'où nous sont parvenus les photons du rayonnement fossile, capturés par Planck.

Pour en avoir le cœur net, il suffirait peut-être d'observer des différences de comportement dans le champ de gravitation de la Terre entre des atomes d'hydrogène et d'antihydrogène. On piège de tels atomes depuis quelque temps au Cern dans le cadre de l'expérience Alpha (Antihydrogen Laser Physics Apparatus). Cependant, on cherche à détecter avec cette expérience des différences dans les spectres de ces atomes. C'est plutôt avec l'expérience Aegis (Antihydrogen Experiment : Gravity, Interferometry, Spectroscopy), qui devrait débuter bientôt au Cern, que l'on détecterait l'existence éventuelle de l'antigravité.

Atomes et antiatomes se repoussent-ils ?

Cependant, comme l'explique une publication dans Nature Communications, les membres d'Alpha se sont rendu compte que les expériences, menées de 2010 à 2011 avec des atomes d'antihydrogène, permettent quand même d'obtenir de timides informations sur leur lien avec la gravitation. Lorsqu'ils quittent leur piège de Penning, ces antiatomes finissent par rencontrer les parois du dispositif en étant soumis à la gravitation. Ils s'annihilent alors avec la matière normale en produisant un flash de lumière. Connaissant leurs positions à une date donnée, on peut alors estimer la force de gravité s'exerçant sur eux, qu'elle les repousse ou au contraire les attire plus fortement.

Ainsi, les chercheurs ont pu réaliser des mesures concernant le rapport entre la masse inerte (positive) et la masse gravitationnelle (l'équivalent de la charge électrique pour la gravitation) des atomes d'antihydrogène. Ce rapport doit être de 1 si l'on reste dans le cadre de la physique standard, mais il pourrait être supérieur à 1 en valeur absolue et surtout négatif, si une antigravité existe. Pour le moment on sait qu'il est compris entre -65 et +110, ce qui ne permet pas de conclure.

Il n'en reste pas moins que l'on commence, enfin, à pouvoir réaliser des expériences susceptibles d'apporter des réponses au sujet de l'antigravité et ses rapports avec l'antimatière. Leur précision devrait augmenter dans les années à venir, et si la chance s'invite à la partie, qui sait ce qui sera découvert.