Le Cern est sur la piste de l'antigravité avec l'expérience GBAR. Ici, l’anneau de décélération Elena, de 30 mètres de circonférence, qui réduit l'énergie des antiprotons pour améliorer l'efficacité des expériences sur l'antimatière. © Maximilien Brice, Cern

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Le Cern sur la piste de l'antigravité avec l'expérience GBAR

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Par Laurent Sacco, Futura

L'antimatière se comporte-t-elle comme la matière dans un champ de gravité ? Nous n'en sommes pas encore certains. Des expériences menées au Cern, comme celle appelée « GBAR », doivent le vérifier. Si tel n'est pas le cas et qu'il existe une « antigravité », il faudrait alors profondément modifier la physique que nous connaissons.

Les 52e rencontres de Moriond, qui rassemblent les physiciens des hautes énergies pour faire le point sur les dernières découvertes en physique fondamentale, viennent de s'achever à La Thuile, en Italie. Le bilan est clair pour la communauté : toujours aucun signe de la prochaine découverte d'une nouvelle physique (en particulier de la supersymétrie) en provenance des expériences qui la chassent, notamment au LHC.

Cela ne veut pas dire que nous n'avons rien appris sur ce que pourrait être cette nouvelle physique ; nous avons tout de même défriché une partie du territoire où elle pourrait se trouver avec des caractéristiques données.

D'ailleurs, la quête continue et les chercheurs tentent toujours de résoudre l'énigme de l'antimatière en cosmologie (en parallèle, ils essayent aussi d'en savoir plus sur la nature de l'énergie noire et de la matière noire). Se pourrait-il, par exemple, que, lors du Big Bang, les quantités de matière et d'antimatière (qui auraient dû être produites en quantités égales, selon le modèle standard) se soient séparées en deux régions distinctes du fait de forces répulsives, c'est-à-dire, finalement, sous l'action d'une antigravité ?

Le schéma de l'expérience GBAR menée au Cern (voir le texte ci-dessous pour plus d'explications). Si l'antigravité n'existe pas et que les antiatomes se comportent comme les atomes, alors les atomes d'antihydrogène devraient chuter d'une hauteur de 20 cm en 200 millisecondes. © CEA

Le Cern, une usine à atomes d'antihydrogène

Les physiciens du Cern sont sur la piste de cette antigravité grâce à plusieurs expériences comme Aegis, Alpha et maintenant GBAR (Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest). En ce qui concerne cette dernière, qui est en cours d'installation, il s'agit de vérifier que des atomes d'antihydrogène tombent bien, ou pas, dans le champ de gravité de la Terre, comme le feraient des atomes d'hydrogène. Plus précisément, les chercheurs veulent savoir si ces antiatomes respectent le principe d'équivalence faible d'Einstein, c'est-à-dire si la trajectoire d'une particule test dans un champ gravitationnel est indépendante de sa composition et de sa structure interne.

Pour ce faire, il faut, bien sûr, fabriquer ces atomes d'antihydrogène. Heureusement, c'est là une spécialité des chercheurs du Cern. La démarche est la suivante : ils commencent par produire des antiprotons avec un faisceau de protons issu du synchrotron à protons (PS) qui frappe une cible métallique. Ces antiprotons à hautes énergies sont ensuite décélérés en cascade avec deux machines, dont Elena, un anneau de 30 m de circonférence. Puis, ces antiprotons sont « habillés » par des positrons issus d'un petit accélérateur linéaire de 1,2 m de long. On obtient finalement des ions d'antihydrogène (notés « Hbar» : voir le schéma ci-dessus), c'est-à-dire un antiproton chargé négativement avec deux positrons chargés positivement en orbite (il s'agit, bien sûr, d'un système quantique).

Ces ions d'antihydrogène sont encore ralentis avec un faisceau laser et sont alors capturés et immobilisés dans un piège de Penning. On peut ensuite les dépouiller d'un positron avec un autre faisceau laser, ce qui leur permet de tomber dans le champ de gravitation de la Terre. Deux détecteurs pourront alors dire si l'antiatome chute ou, au contraire, s'il monte dans ce champ. Dans ce dernier cas, un effet d'antigravité sera alors clairement établi.

On ne sait pas vraiment à quoi s'attendre car, jusqu'à maintenant, les théories et les interprétations des autres expériences menées sur le sujet divergent.

Pour en savoir plus

Aidez les chercheurs du Cern sur la piste de l'antigravité

Article de Laurent Sacco publié le 15/08/2013

L'expérience Aegis est destinée à vérifier si l'antimatière se comporte comme de la matière dans un champ de gravitation. Elle ne débutera vraiment qu'en 2015, et ce n'est qu'à ce moment-là que l'on pourra envisager de découvrir des traces de l'existence de l'antigravité. En attendant, les chercheurs du Cern ont besoin de vous pour préparer cette expérience ! Il vous suffit d'analyser des photos en ligne...

Le Cern se prépare à partir à la chasse à d'éventuels signes de l'existence de l'antigravité en 2015, avec l'expérience Aegis (Antihydrogen Experiment : Gravity, Interferometry, Spectroscopy). Pour cela les physiciens proposent de mesurer l'effet de l'accélération gravitationnelle de la Terre sur des atomes d’antihydrogène. Ces atomes tombent-ils de la même façon que les atomes d'hydrogène dans le champ de gravité de la Terre ? Se pourrait-il qu'au lieu de tomber, ils soient repoussés par la masse de la Terre ?

Dans les deux cas, un écart avec le comportement normal de la matière, qui se manifesterait avec de l'antimatière, aurait des conséquences révolutionnaires aussi bien sur notre compréhension du cosmos observable que sur notre technologie. Qui n'a jamais rêvé d'un générateur d'antigravité pour faire voler des voitures ou des vaisseaux spatiaux dans les airs ?

L'expérience Aegis en cours d'installation au Cern. À partir de 2015, les physiciens tenteront de vérifier si les atomes d'antihydrogène respectent le principe d'équivalence à la base de la relativité générale. Mais ils pourraient découvrir que l'antimatière ne se comporte pas comme la matière dans un champ de gravitation. Le plus étonnant serait que matière et antimatière se repoussent comme des charges électriques de même signe. © Cern

Des antiatomes pistés par leurs produits de désintégration

Avec Aegis, les chercheurs du Cern commenceront par faire voler horizontalement dans le vide des atomes d'antihydrogène, puis ils les feront entrer en collision avec de la matière normale. Des annihilations se produiront, avec production de pions et d'autres particules. Ces  particules secondaires se déplaceront ensuite à travers une émulsion contenant du bromure d'argent développé par l'université de Berne (Suisse), qui rend leurs trajets visibles sous forme de chapelets de bulles. Les photographies de ces traces seront enfin utilisées pour reconstruire la trajectoire dans le temps des atomes d'antihydrogène, et donc vérifier s'ils tombent bien dans le champ de gravité terrestre comme des atomes d’hydrogène normaux.

Une photographie de l'émulsion photographique utilisée par les chercheurs pour calibrer la méthode qui sera utilisée avec Aegis. On peut voir des traces des particules secondaires produites par l'annihilation des antiprotons avec des protons. © Cern

Mais avant cela, les physiciens ont besoin de vérifier que cette méthode fonctionne en envoyant des faisceaux d’antiprotons dans différents matériaux pour produire des annihilations. Les trajets des particules secondaires sont là aussi enregistrés avec la même émulsion. En théorie, les images peuvent être traitées automatiquement par ordinateur, comme pour les chambres à fils de Charpak. Mais les scientifiques savent bien que le cerveau humain reste encore le meilleur outil pour identifier et reconstruire les trajectoires à partir des chapelets de bulles laissés par les particules secondaires dans l'émulsion. 

Comme pour la chasse aux traces de poussières cométaires et interstellaires dans l'aérogel de la mission Stardust, les chercheurs proposent donc aux internautes de les aider à reconstituer les trajets des particules secondaires, afin de préparer l'expérience Aegis. Pour participer à la chasse à l'antigravité, si vous n'êtes pas épileptique et que vous comprenez un minimum l'anglais, il suffit de se rendre sur le site crowdcrafting.org. Votre tâche consistera à relier des points sur les photographies. L'état des reconstitutions de trajectoires est affiché dans une vidéo 3D.

LHC : comment fonctionne le plus grand accélérateur de particules ?  À cheval entre la France et la Suisse, le Grand collisionneur de hadrons permet actuellement de faire des collisions de protons à une énergie de 13 TeV (téraélectronvolts). Découvrez le fonctionnement de cet impressionnant outil en vidéo grâce au Cern. 

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