Une vue d'Alice (A Large Ion Collider Experiment) au Cern. Ce détecteur géant permet d'explorer la physique du plasma de quarks-gluons au LHC. © Cern, Antonio Saba

Sciences

Le LHC explore l'énigme de l'antimatière avec des antinoyaux

ActualitéClassé sous :cern , antimatière , CPT

Pour mériter pleinement son nom, l'antimatière doit exister aussi bien sous forme de particules élémentaires que d'antinoyaux. Les premiers créés en laboratoire l'ont été il y a 50 ans, notamment au Cern. L'expérience Alice au LHC permet aujourd'hui de les étudier pour tenter de percer certains des mystères de l'antimatière en cosmologie.

Où se cachent les signes d'une nouvelle physique ? Personne ne le sait et elle pourrait bien apparaître là où on l'attend le moins. Il est difficile par exemple de croire que la nature ne respecte pas la symétrie CPT car sa violation entraînerait une remise en cause de la théorie de la relativité restreinte. Pourtant, les physiciens sont partis à la chasse de violations éventuelles du théorème CPT qui se manifesterait par exemple par des différences entre protons et antiprotons. L'affaire est d'importance, comme l'expliquait un article récent traitant d'un test réalisé par des physiciens du Cern, car de tels résultats pourraient peut-être éclairer l'énigme de l'antimatière en cosmologie.

Une autre équipe de chercheurs travaillant elle aussi avec les moyens disponibles au Cern a tenté de découvrir des violations de la symétrie CPT avec des noyaux et des antinoyaux comme elle l'explique dans un article déposé sur arxiv. Il s'agit des membres de la collaboration Alice, l'un des grands détecteurs équipant le LHC.

Alice et la matière de l'autre côté du miroir

Alice (A Large Ion Collider Experiment) est spécialisé dans l'étude des collisions d'ions lourds, en général du plomb. Cela permet en particulier de recréer un état de la matière hadronique ayant existé très peu de temps après la naissance de l'univers observable, le plasma de quark-gluons. Ce détecteur avait déjà trouvé des signes de violations des symétries C et CP, similaires à ceux déjà connus avec des hadrons et que l'on peut aussi observer dans l'expérience LHCb.

Antonino Zichichi a participé à plusieurs travaux importants en physique des particules au Cern et il a été le fondateur du fameux centre Ettore Majorana. © Ettore Majorana Foundation and Centre for Scientific Culture

Lorsque ces ions lourds entrent en collision, il peut apparaître dans les débris des noyaux et des antinoyaux légers. Alice permet d'en déterminer la masse et la charge et donc le rapport des deux. Les physiciens ont ainsi pu mesurer la différence entre les rapports masse sur charge pour les deutons (constitués d'un proton, c'est-à-dire un noyau d'hydrogène, et d'un neutron) et les antideutons, ainsi que pour les noyaux d'hélium-3 (deux protons plus un neutron) et d'antihélium-3. Leurs collègues de l'expérience Base avaient fait de même avec des antiprotons et des ions négatifs d'hydrogène.

Selon le directeur général du Cern, Rolf Heuer : « Les mesures effectuées par Alice et par Base ont eu lieu aux énergies les plus élevées et les plus faibles disponibles au Cern, respectivement au LHC et au décélérateur d'antiprotons. C'est une parfaite illustration de la diversité du programme de recherche du Laboratoire ».

Il y a 50 ans, le premier antinoyau

Elles n'ont malheureusement toujours pas fourni de preuve d'une violation de la symétrie CPT. Ce qui est sûr, en tout cas, c'est que les résultats d'Alice viennent au moment où l'on peut célébrer la découverte en laboratoire du premier antinoyau de deutérium. Il s'agissait en fait de la première preuve de la possible existence de noyaux d'antimatière. Cette découverte a été faite indépendamment en 1965 par deux équipes de chercheurs, l'une menée par Antonino Zichichi (voir sa conférence fascinante sur l'histoire de l'antimatière et le théorème CPT) avec le Proton Synchrotron (PS) du Cern et l'autre menée aux États-Unis par Leon Lederman.

Cela vous intéressera aussi

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.