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Énigme de l'antimatière : le moment magnétique de l'antiproton à la loupe

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Un antiproton se comporte-t-il comme un proton de charge négative ? On cherche à démontrer au Cern que ce n'est pas le cas en mesurant, par exemple, son moment magnétique. Toute différence ébranlerait la théorie de la relativité, mais permettrait peut-être de comprendre pourquoi l'antimatière est rare dans l'univers.

Stephan Ettenauer, un étudiant postdoctoral travaillant sur l’expérience Atrap, devant le dispositif dit de « piège de Penning », qui sert à piéger les antiprotons. © Anna Pantelia, Cern

C'est le physicien Paul Dirac qui, le premier, a prédit théoriquement l'existence des particules d'antimatière, en combinant les lois de la mécanique quantique et de la relativité restreinte. Son but était de décrire finement le comportement des électrons et des protons dans les atomes, à des vitesses arbitrairement proches de celles de la lumière. Ce faisant, il a contribué à jeter les bases des théories quantiques relativistes des champs de matière et de force sur lesquelles repose le modèle standard.

Un théorème qui dérive de ces théories implique que ces champs doivent respecter ce que l'on appelle l'invariance CPT. En clair, prenez n'importe quelle expérience de physique ou de chimie dans l'univers observable, et refaites-la en remplaçant les particules de matière par de l'antimatière (ou inversement). Puis prenez son image dans un miroir (ce qui inversera par exemple le sens du courant dans une bobine électrique), et renversez le sens des divers mouvements, comme si l'écoulement du temps se faisait à l'envers. L'invariance CPT stipule que l'expérience doit être réalisable et que, de plus, on ne distinguera aucune différence avec la première.

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

Une fenêtre sur de la nouvelle physique

Les travaux de Dirac conduisaient naturellement à la prédiction de l'existence de l'antiproton, et celui-ci a effectivement été découvert en 1955 par Emilio Segrè, Clyde Wiegand, Edward Lofgren, Owen Chamberlain et Thomas Ypsilantis. De nos jours, on produit des antiprotons pour diverses raisons. On fabrique notamment avec eux des atomes d'antihydrogène, où on les piège individuellement dans un champ magnétique. C'est ce qui est réalisé par exemple au Cern dans le cadre de l'expérience Antihydrogen Trap (Atrap).

Les physiciens cherchent à détecter avec les antiprotons des violations de l'invariance CPT. Ce pourrait être par exemple d'infimes différences entre les masses et les charges des protons et celles des antiprotons. L'observation de telles différences ébranlerait fortement les fondements de la relativité restreinte à cause du théorème CPT, et impliquerait de la nouvelle physique. On espère en particulier que des différences de comportement entre matière et antimatière donneront des clés pour résoudre l'énigme de l'antimatière cosmologique. En effet, on ne comprend pas vraiment pourquoi il n'y a pas autant de matière que d'antimatière dans l'univers observable.

Un proton se comporte à la fois comme une petite boule chargée et comme un barreau aimanté. Par symétrie CPT (comme le montre l'image supérieure de ce schéma), il devient un antiproton, en quelque sorte une copie inversée, par miroir, d'un proton. L'image du bas correspond au principe de l'expérience de mesure de son moment magnétique dans Atrap (tel qu'il est décrit dans le texte ci-dessous). © Alan Stonebraker, APS

Les chercheurs du Cern ont récemment publié sur arxiv les derniers résultats de leur quête d'une physique au-delà du modèle standard et de son invariance CPT avec Atrap. Pour cela, ils se sont concentrés sur la mesure précise du moment magnétique d'un antiproton dans un piège de Penning. Plongé dans un champ magnétique et soumis à des ondes radio, l'antiproton piégé y tourne comme en orbite dans un cyclotron à une fréquence donnée fc. Son spin bascule aussi périodiquement selon une autre fréquence, fs, en étant orienté parallèlement au champ magnétique. La mesure de ces deux fréquences permet alors d'accéder à une mesure du moment magnétique de l'antiproton.

Rappelons que ce moment ressemble à celui, en physique classique, d'une sphère chargée en rotation se comportant comme un petit aimant. Cependant, il s'agit ici d'un effet foncièrement quantique, et l'analogie avec la sphère ne doit pas être poussée trop loin.

Les membres d'Atrap ont réussi à améliorer d'un facteur 680 la précision des mesures déjà faites du moment magnétique d'un antiproton : elles ne montrent pas une différence supérieure à cinq millionièmes avec celle d'un proton. Les scientifiques ne comptent pas s'arrêter en si bon chemin, et pensent pouvoir bientôt aboutir à une précision de l'ordre du milliardième.