Une vue générale de l'expérience Alpha au Cern. © Cern, Maximilien Brice

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Le spectre de l'antihydrogène continue de livrer ses secrets

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Par Laurent Sacco, Futura

À la recherche d'une nouvelle physique et d'une meilleure compréhension du Big Bang, les physiciens du Cern traquent des différences entre la matière et l'antimatière. Leurs derniers résultats concernent la façon dont les atomes d'antihydrogène absorbent et émettent de la lumière.

Les membres de la collaboration Alpha (Antihydrogen Laser Physics Apparatus) au Cern viennent d'annoncer via un article publié dans Nature qu'ils avaient poussé un cran plus loin l'étude du spectre d'un atome d'antihydrogène, c'est-à-dire les caractéristiques du rayonnement électromagnétique que cet atome peut absorber et émettre.

Comme nous l'avons vu dans un précédent article, ce sont des transitions dites hyperfines entre les niveaux d'énergies d'un positron dans un tel anti-atome qui avaient été produites puis mesurées il y a quelques années. Les physiciens, comme ils l'annonçaient à cette époque, sont parvenus à observer des transitions dans le domaine de la lumière ultraviolette, c'est-à-dire dans leur terminologie, l'équivalent des transitions entre les niveaux 1S et 2S d'un atome de Bohr où un positron a été substitué à un électron, et un antiproton à un proton.

Rappelons que les chercheurs du Cern ont une longue tradition en ce qui concerne la production et le stockage des antiprotons grâce notamment aux travaux du prix Nobel de physique Simon van der Meer. Cela leur a permis de fabriquer en 1995, le premier atome d'antihydrogène puis d'en produire en grande quantité avec l'expérience Athena en 2002. Grâce à celle baptisée Alpha, qui a débuté en 2010, les physiciens du Cern sont finalement parvenus à piéger ces antiatomes pour les étudier à leur guise.

En 2016, pour étudier l'antihydrogène, les chercheurs ont commencé par mélanger environ 90.000 antiprotons, issus d'une machine appelée Décélérateur d'antiprotons, avec des positrons issus de la désintégration radioactive de noyaux de sodium 22, ce qui a permis la synthèse d'environ 25.000 atomes d'antihydrogène. Le gaz obtenu a été refroidi en dessous de 1 degré Kelvin et certains de ces atomes d'antihydrogène ont ensuite été piégés magnétiquement. Cela a ensuite permis d'étudier finement les transitions atomiques en excitant ces atomes à l'aide de faisceaux lasers.

Une présentation du dernier résultat des membres de la collaboration Alpha par leur porte-parole, Jeffrey Hangst. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Cern

Une violation de la relativité restreinte avec l'antihydrogène ?

Pour le moment, à la précision des mesures atteintes (elles devraient s'améliorer dans un futur proche), il n'y a pas de différence observable entre la façon dont un atome d'hydrogène absorbe et émet de la lumière à des fréquences bien précises et la façon dont le fait, à ces mêmes fréquences, un atome d'antihydrogène. Si toutefois une telle différence venait à être observée, cela signifierait que l'on est en présence d'une violation du théorème CPT, un théorème très profond, issu des lois de symétrie, qui s'applique à toutes les théories quantiques relativistes des champs, donc au modèle standard.

Ce théorème a été 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. Selon ce théorème, le comportement d'un atome d'antihydrogène devrait être le même que celui d'un atome d'hydrogène. Il devrait tomber dans le champ de gravitation de la Terre de la même façon et il ne devrait pas être possible de découvrir des différences au niveau des spectres d'émission et d'absorption des deux objets. Si tel n'était pas le cas, on pourrait peut-être comprendre pourquoi l'univers ne semble pas contenir d'antimatière, à part celle présente dans les rayons cosmiques et qui résulte, comme sur Terre, de collisions ou de désintégrations avec des particules de matière.

Une violation de ce théorème dans l'expérience Alpha indiquerait de toute façon que la théorie de la relativité restreinte ne s'applique pas dans certaines situations, ce qui serait une révolution ouvrant une fenêtre sur une nouvelle physique.

Pour en savoir plus

Premières études du spectre de l'antihydrogène

Article de Laurent Sacco publié le 19/03/2012

L'antigravité est-elle possible ? Peut-on déceler des antigalaxies dans l'univers ? Un bon moyen de répondre à ces questions est d'étudier le spectre des atomes d'antihydrogène. C'est ce que commencent à faire les chercheurs de l'expérience Alpha au Cern.

L'humanité a créé son premier atome d'antihydrogène en 1995 au Cern. Si l'on sait produire des antiprotons depuis les années 1950 et des antiélectrons depuis plus longtemps encore, la synthèse d'un antiatome n'est pas facile car les particules d'antimatière prédites théoriquement par Paul Dirac en 1928 ont le défaut de s'annihiler avec leurs particules de matière associées lorsqu'elles se rencontrent. Empêcher un positron de disparaître en entrant en collision avec un électron, ou qu'un antiproton fasse de même avec les protons d'un noyau n'est guère facile dans notre monde où, étrangement, la matière prédomine de façon écrasante sur l'antimatière.

Pourtant, au début de la naissance de l’univers observable, il aurait dû être créé autant de matière que d'antimatière. C'est du moins ce que nous disent les équations du modèle standard. Une façon d'expliquer cette asymétrie, cette énigme de l'absence de l'antimatière en cosmologie, est de faire intervenir une physique au-delà du modèle standard. Il se pourrait par exemple qu'à hautes énergies, notre univers soit effectivement décrit par des théories de type GUT comme vient de nous expliquer Julien Baglio. La découverte d'un boson de Higgs supersymétrique pourrait être une bonne indication sur le fait que l'architecture du cosmos repose véritablement sur ces fondations.

D'autres proposent des hypothèses encore plus folles. Sommes-nous sûrs que l'antimatière tombe dans le champ de gravitation d'un objet composé de matière normale ? Et si une faible antigravité existait entre matière et antimatière, ayant conduit l'univers primitif à se séparer en deux ou de multiples régions distinctes ? Si tel est le cas, peut-être même des galaxies et des antigalaxies forment-elles des amas se repoussant les uns les autres. Ils se tiendraient ainsi à bonne distance, en évitant des contacts destructeurs qui généreraient des flots de rayons gamma... qu'on n'observe pas.

À gauche Woflgang Pauli et à droite Paul Dirac. Tous les deux sont prix Nobel de physique et figurent parmi les pères fondateurs de la mécanique quantique. Notre connaissance théorique de l'antimatière repose lourdement sur leurs travaux des années 1930-1940. Si Dirac a été le premier à prédire l'existence de l'antimatière, c'est Pauli qui a compris le premier, en 1924, que la structure spectrale hyperfine de l'hydrogène découverte au XIXe siècle par Michelson s'expliquait bien si électrons et noyaux avaient un moment magnétique propre. © Cern

Pour espérer répondre à toutes ces questions, l'un des moyens les plus sûrs est probablement de créer un grand nombre d'atomes d'antihydrogène pour étudier leurs propriétés en laboratoire afin de savoir si des antiatomes sont vraiment les équivalents des atomes de matière. Ont-ils les mêmes spectres d'émission ? 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 ?

Pour traquer les mystères de l'antimatière, les chercheurs du Cern ont dû parvenir à créer un grand nombre de ces antiatomes puis, surtout, qu'ils existent suffisamment longtemps pour faire l'objet de mesures. Ces deux conditions ont été réalisées depuis quelques années avec l'expérience Alpha (Antihydrogen Laser Physics Apparatus).

Dans une publication du journal Nature, les membres de la collaboration Alpha annoncent aujourd'hui commencer à être en mesure d'étudier le spectre des atomes d'antihydrogène.

La structure spectrale hyperfine de l'antihydrogène

Pour le moment, les chercheurs n'ont pas observé les transitions atomiques principales équivalentes à celles d'un électron sautant sur différentes orbites d'un atome de Bohr. Ils se sont contentés de provoquer des transitions au niveau de ce qu'on appelle la structure spectrale hyperfine de l'atome d'antihydrogène neutre. Pour cela, des micro-ondes ont provoqué le basculement du moment magnétique intrinsèque du positron, qui se produit à une fréquence bien particulière. Le choix de ce type de transition n'est probablement pas anodin.

On sait en effet que l'atome d'hydrogène possède des niveaux d'énergie fins résultant de l'interaction magnétique du spin de son électron avec celui de son proton. Selon que ces deux spins sont parallèles ou antiparallèles, le niveau d'énergie de l'électron n'est pas le même et une transition avec émission d'un photon d'une longueur d'onde de 21 cm est possible. Cette transition est très utile en astrophysique pour cartographier l'hydrogène atomique dans une galaxie. C'est la fameuse raie à 21 cm de l'hydrogène.

Dans le cas de l'expérience Alpha, le fait qu'une transition de ce type se produise effectivement avec certains des antiatomes capturés dans un piège de Penning se signale par l'évasion de ces antiatomes hors du piège. Entrant en collision avec des atomes, ils s'annihilent en laissant des traces mesurables caractéristiques.

Les chercheurs se préparent maintenant à aller plus loin en effectuant des transitions atomiques avec des lasers. Ce n'est que lorsque des mesures fines et précises du spectre des atomes d'antihydrogène auront été réalisées que des différences entre matière et antimatière, issues d'une physique au-delà du modèle standard, pourront peut-être apparaître au grand jour.

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