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Le Cern révélera-t-il bientôt l'énigme de l'antimatière ?

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Le Cern a été le premier laboratoire de physique des hautes énergies au monde à produire, il y a plus de 20 ans, un atome d'antihydrogène. Avec l'expérience Alpha, il cherche aujourd'hui à découvrir des traces d'une nouvelle physique en montrant que cet antiatome n'est pas aussi neutre que l'atome d'hydrogène.

Une vue générale de l'expérience Alpha (Antihydrogen Laser Physics Apparatus), au Cern. Elle permettra peut-être de comprendre pourquoi l'univers observable contient plus de matière que d'antimatière alors que les lois connues de la physique exigent leur création en des quantités rigoureusement égales pendant le Big Bang. Avec Alpha, les physiciens traquent d'éventuelles différences entre les atomes d'hydrogène et d'antihydrogène. © Maximilien Brice, Cern

Les chercheurs du Cern ont une longue tradition avec 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. Puis, grâce à l'expérience Alpha (Antihydrogen Laser Physics Apparatus) réalisée en 2010, les physiciens du Cern sont même parvenus à piéger ces antiatomes.

Comme nous l'avions indiqué sur Futura-Sciences dans plusieurs articles consacrés aux recherches menées avec les antiprotons et les atomes d'antihydrogène au Cern, l'espoir est d'arriver à percer l'une des énigmes les plus tenaces de la cosmologie. En bonus, cela permettrait automatiquement d'avoir des indications sur l'existence d'une nouvelle physique. Certains imaginent même qu'il serait possible de découvrir l'existence de l'antigravité et cherchent ainsi à la mettre en évidence avec l'expérience Aegis (Antihydrogen Experiment : Gravity, Interferometry, Spectroscopy).

En effet, les chercheurs ne comprennent pas pourquoi l'univers observable n'est constitué très majoritairement que de matière. Les flux de positrons d'antiprotons mesurés par exemple dans l'espace par le détecteur AMS (Alpha Magnetic Spectrometer, en anglais pour Spectromètre magnétique Alpha) sont le résultat de productions d'antiparticules postérieures au Big Bang et correspondent à des processus astrophysiques bien compris - à moins justement qu'ils ne trahissent l'existence des particules de matière noire dans la Voie lactée. Selon le modèle standard, autant de matière que d'antimatière aurait dû être produite lors de la « naissance » du cosmos observable. Pour expliquer l'asymétrie matière-antimatière, il faut donc nécessairement faire intervenir de la nouvelle physique.

Jeffrey Hangst, porte-parole de l’expérience Alpha, nous présente son travail et celui de ses collègues sur la charge de l'atome d'antihydrogène. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître, si ce n'est pas déjà le cas. En cliquant ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, vous devriez voir l'expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « français », puis cliquez sur « OK ». © Cern, YouTube

Des traces d'une violation de la théorie de la relativité

Pour tenter de faire la lumière sur cette nouvelle physique, l'équipe cherche à mettre en évidence des différences de comportement et de propriétés entre positrons et électrons, protons et antiprotons et, finalement, atomes d'hydrogène et d'antihydrogène. Ils s'intéressent par exemple aux spectres de ces atomes et vérifient que ceux-ci possèdent les mêmes niveaux d'énergie effectuant les mêmes transitions quantiques lorsqu'ils sont illuminés par des faisceaux laser.

Comme l'expliquent les chercheurs du Cern dans un article qu'ils viennent de publier dans Nature, il est possible de vérifier que l'atome d'antihydrogène est tout aussi neutre que l'hydrogène. Pour la matière normale, des mesures effectuées avec des atomes d'hélium, des molécules d'hydrogène ou de SF6 n'ont pas révélé la présence d'une charge dont la valeur serait supérieure à 10-21 fois celle de la charge électrique d'un électron (soit une valeur supérieure à un millième de milliardième de milliardième de cette charge).

En utilisant l'expérience Alpha - au cours de laquelle les chercheurs piègent un atome d'antihydrogène avec un champ magnétique -, il est possible d'observer d'éventuels mouvements de dérive de cet antiatome sous l'action d'un champ électrique. Ces mouvements ne sont possibles que si celui-ci porte une charge électrique quelconque et ils sont d'autant plus importants que celle-ci est élevée. On peut donc poser de cette manière des bornes sur l'existence de cette charge qui pointerait par exemple vers une différence entre la charge d'un antiproton et celle d'un positron.

En l'occurrence, les physiciens ont gagné un facteur de précision de l'ordre de 20 par rapport à leurs premières mesures. Il n'apparaît donc pas de différence de charge supérieure à environ un milliardième de la charge électrique de l'électron. Jusqu'à nouvel ordre, comme dans le cas d'expériences avec des photons, l'antihydrogène reste neutre. Dans le cas contraire, cela signifierait une violation du théorème CPT, laquelle équivaut à une remise en cause de la validité universelle de la théorie de la relativité restreinte.

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