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
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Antimatière : le Cern refroidit par laser des antiatomes d'hydrogène pour la première fois

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[EN VIDÉO] 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. 

Après avoir été le premier laboratoire au monde à créer puis à piéger des atomes d'antihydrogène, le premier à pouvoir générer des faisceaux de ces atomes d'antimatière, le Cern est encore le premier à les refroidir avec le laser. Voilà de quoi ouvrir de nouvelles perspectives sur leur étude qui pourrait permettre d'aller au-delà de la théorie de la relativité restreinte, et surtout de comprendre où est passée l'antimatière du Big Bang qui manque toujours à l'appel.

Les travaux d'Einstein ont révolutionné la physique, non seulement avec sa théorie de la relativité, mais aussi par ses contributions à la mécanique quantique qui en font un de ses principaux pères fondateurs, ce qui n'est pas assez rappelé. Il a en effet découvert les principes de l'effet laser, principes sur lesquels s'appuiera notamment Heisenberg sur le chemin menant aux équations de la formulation matricielle de la mécanique quantique.

Aujourd'hui, le laser est utilisé dans de nombreuses expériences de physique fondamentale, par exemple pour la détection et l'étude des ondes gravitationnelles. Les physiciens du Cern l'utilisent aussi pour sonder les mystères de l'infiniment petit lorsqu'ils cherchent à comprendre les mystères de l'antimatière, au moyen de plusieurs expériences en cours depuis des années. Les membres de l'une d'entre elles, la collaboration Alpha (Antihydrogen Laser Physics Apparatus), viennent d'ailleurs de faire savoir, via un article publié dans Nature, qu'ils avaient réalisé une grande première, pavant peut-être la voie à la découverte d'une nouvelle physique : le refroidissement par laser d'antiatomes d'hydrogène.

Cette performance n'est nullement surprenante en ce qui concerne le Cern qui a été un pionnier, depuis des décennies, de la production et du stockage d'antiprotons refroidis par diverses techniques pour les besoins d'expériences en physique des particules. On se doit de citer à cet égard la technique du refroidissement stochastique inventée par le prix Nobel de physique Simon van der Meer et qui a permis la découverte des bosons W et Z. Mais, en ce qui concerne la dernière prouesse des physiciens du Cern, elle est la suite logique des travaux qui, il y a déjà un peu plus d'une décennie, leur avaient permis de refroidir comme jamais un gaz d'antiprotons, atteignant la température record pour l'époque de 9 kelvins.

Quelques images et commentaires sur l'expérience Alpha. 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 ». © The Alpha collaboration, Cern

L'antihydrogène, un laboratoire pour une nouvelle physique

Il s'agissait déjà d'un succès des membres de la collaboration Alpha, mais obtenu avec la technique déjà éprouvée dans le cas de l'obtention des atomes ultrafroids, et dite du refroidissement par évaporation. Une autre technique pour refroidir les atomes étant également basée sur le laser, il était logique de l'utiliser sur des atomes d'antihydrogène. Ces antiatomes sont synthétisés en premier lieu en produisant des antiprotons avec des faisceaux de protons entrant en collision avec les noyaux d'une cible fixe, et en second lieu en collectant les positrons émis par des noyaux radioactifs, ceux d'un isotope du sodium (22Na).

L'enthousiasme des physiciens à ce sujet transparaît dans un communiqué du Cern à travers les commentaires de Jeffrey Hangst, porte-parole de la collaboration Alpha : « La capacité d'opérer un refroidissement par laser sur des atomes d'antihydrogène est une révolution pour les mesures spectroscopiques et gravitationnelles. Elle pourrait également ouvrir de nouvelles perspectives pour les recherches sur l'antimatière, notamment la création de molécules d'antimatière et le développement de l'interférométrie basée sur des antiatomes... C'est absolument fabuleux. Il y a une dizaine d'années, le refroidissement par laser de l'antimatière semblait relever de la science-fiction. »

Son collègue Makoto Fujiwara, qui a été à l'initiative du résultat obtenu en défendant, le premier, l'idée d'utiliser un laser pulsé pour refroidir l'antihydrogène magnétiquement piégé par les physiciens d'Alpha, n'est pas en reste lorsqu'il ajoute que : « Par le passé, les chercheurs ont eu du mal à refroidir l'hydrogène ordinaire par laser. Arriver à ce résultat avec l'antihydrogène, c'était ce dont nous rêvions depuis des années. À présent, nous pouvons rêver à réaliser des choses encore plus folles avec l'antimatière. »

Les physiciens sont en effet à la recherche des comportements différents des atomes d'antimatière par rapport aux atomes classiques, avec lesquels ils font des expériences depuis plus d'un siècle. Ils espèrent notamment surprendre des différences dans la façon dont ces antiatomes font des transitions entre leurs niveaux d'énergie électronique, ou plus exactement positronique. Car si le noyau de ces atomes est un antiproton, ce sont bel et bien des positrons, les antiparticules des électrons, qui sont sur ces niveaux d'énergie et qui passent de l'un à l'autre lorsqu'un de ces atomes d'antihydrogène absorbe ou émet de la lumière (l'existence de ces niveaux est à la base de la technique de refroidissement par laser car quand un atome absorbe ou émet un quanta de lumière, il gagne ou perd de la quantité de mouvement, ce qui permet donc de l'accélérer... ou de le ralentir).

Cela pourrait se voir en étudiant finement les raies spectrales d'atome d'antihydrogène, par exemple.

Il y a quelques années déjà, les membres de l'expérience Alpha au Cern étaient parvenus à faire des mesures fines des niveaux d'énergie d'atomes d'antihydrogène pour les comparer à des mesures déjà faites depuis des décennies avec les atomes d'hydrogène. 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 ». © 2018 Cern

Lire dans le spectre de l'antihydrogène de nouveaux arcanes de l'Univers

Les différences recherchées sont donc des différences qui pourraient exister entre les valeurs des niveaux d'énergie. Mais, comme ces différences pourraient être petites, il est nécessaire de faire des mesures de précision et c'est pour cette raison qu'il faut refroidir les atomes.

En effet, naturellement déjà, du fait des lois de la mécanique quantique, les raies des atomes manifestant leurs niveaux d'énergie ne sont pas infiniment fines lorsqu'on les observe par dispersion avec un spectrographe. Elles possèdent une largeur intrinsèque. Mais cette largeur elle-même est aussi due aux mouvements des atomes, ce qui provoque des décalages Doppler élargissant artificiellement les fréquences. Les astrophysiciens connaissent bien cet effet d'élargissement parasite dont ils doivent tenir compte lorsqu'ils analysent la composition chimique et l'état physique des atomes et des molécules dans les atmosphères stellaires et planétaires. En laboratoire sur Terre, pour avoir accès le plus possible aux vraies largeurs de raies quantiques, il faut diminuer le mouvement thermique des systèmes atomiques et donc les refroidir.

C'est ce qu'ont entrepris de faire avec succès les physiciens d'Alpha, ce qui leur a permis de mesurer comme jamais les transitions quantiques entre l'état fondamental 1S de l'atome d'antihydrogène et l'état d'énergie supérieur 2S, comme on dit dans le jargon des spectroscopistes, et qui sont simplement les deux premiers niveaux d'énergie fondamentaux dans le modèle de l'atome de Bohr pour l'hydrogène. On voudrait savoir s'il reste pertinent pour l'antihydrogène.

Dans le cas présent, lors de la mesure spectroscopique de la transition 1S-2S, les chercheurs ont observé et mesuré une raie spectrale quatre fois plus étroite que celle observée sans refroidissement au laser. Mais aucune différence n'a encore pointé le bout de son nez avec un atome d'hydrogène, ce qui était en fait attendu si l'un des théorèmes les plus fondamentaux de la théorie quantique des champs de particules était bien respecté par les antiparticules, le théorème de la symétrie CPT. Ce théorème avait déjà été testé par d'autres expériences au Cern, comme Futura l'expliquait dans le précédent article ci-dessous. Sa violation pourrait signifier que la théorie de la relativité restreinte ne s'applique pas toujours aux phénomènes physiques.

L'équation de Dirac donne deux solutions : l'électron... et le positron. Cet antiélectron est-il un artefact mathématique ou une nouvelle particule ? © Synchrotron Soleil

L'antimatière de Dirac, l'antigravité et la cosmologie

Pour mieux comprendre en quoi l'étude de l'antihydrogène peut être porteuse de découvertes spectaculaires en physique fondamentale et en cosmologie, on peut relire ce que Futura avait déjà expliqué à plusieurs reprises à ce sujet, et que nous allons donc largement reprendre.

Tout est parti, il y a plus de 90 ans, d'une découverte théorique que le prix Nobel de physique Paul Dirac avait été conduit à faire lorsqu'il avait cherché, puis trouvé en 1928, une version relativiste de l'équation de Schrödinger décrivant le comportement quantique des électrons dans les atomes comme le plus simple d'entre eux, l'atome d'hydrogène. L'équation contenait des solutions nouvelles et bizarres que Dirac finira par interpréter comme la description d'antiparticules associées à chaque particule.

Par la suite, après la découverte en 1932 dans les rayons cosmiques de l'antiparticule de l'électron, le positron, par le physicien états-unien Carl Anderson (il recevra le prix Nobel pour cela en 1936), suivie par celle de l’antiproton par Emilio Segré et ses collègues en 1955, les théoriciens ont compris qu'il devait pouvoir exister des mondes formés d'antiatomes, et pourquoi pas des galaxies d'antimatière pas très loin de la Voie lactée. Les recherches à ce sujet sont restées vaines et les problèmes se sont aggravés avec l'essor de la théorie du Big Bang, aujourd’hui particulièrement bien confirmée, car avec la physique connue, autant de matière que d'antimatière aurait dû être produite pendant le Big Bang avant que ces particules ne s'annihilent l'une l'autre à sa fin.

En effet, l'équation de Dirac, devenue une des bases de la théorie quantique des champs de particules, implique qu'à toute particule chargée doit correspondre une autre particule ayant, pour autant qu'on le sache, en espace-temps plat les mêmes propriétés de masse, de spin et de charge électrique, à ceci près qu'elle doit être de signe opposé. Nous savons effectivement qu'il existe des antiélectrons, les positrons et même des antinucléons (un cas un peu compliqué par le fait qu'antiprotons et antineutrons ne sont pas des particules vraiment élémentaires), etc. Mais, nous observons une asymétrie très nette dans l'Univers observable. Où sont donc passées les antiparticules du Big Bang ?

Il y a plusieurs moyens de résoudre cette énigme. Peut-être existe-t-il des différences subtiles entre particules de matière et d'antimatière qui conduisent un peu plus de particules de matière que d'antimatière à être synthétisées dans des conditions similaires à celles du Big Bang.

On peut aussi imaginer que l'antimatière ne se comporte pas comme la matière dans un champ de gravitation. Peut-être que matière et antimatière se repoussent du fait d'une antigravité, ce qui aurait peut-être conduit, par exemple, à une séparation sous forme de l'équivalent d'une émulsion de la matière et de l'antimatière, avec des régions remplies uniquement de matière et d'autres d'antimatière. Ces régions n'auraient donc que peu de contact du fait des forces de répulsion, ce qui expliquerait pourquoi nous ne voyons pas de gigantesques sources de rayons gamma aux frontières de ces régions, du fait de l'annihilation des particules de matière et d'antimatière.

Les antiatomes d'hydrogène produits et refroidis au Cern devraient justement permettre de faire des expériences fines pour déterminer si l'antimatière tombe ou non dans un champ de gravitation.

Pour en savoir plus

Antimatière : le Cern produit le premier faisceau d'antihydrogène

Article de Laurent Sacco publié le 22/01/2014

Après avoir été le premier laboratoire au monde à créer puis à piéger des atomes d'antihydrogène, le Cern est maintenant le premier à pouvoir générer des faisceaux de ces atomes d'antimatière. Leur étude pourrait permettre d'aller au-delà de la théorie de la relativité restreinte et surtout de comprendre où est passée l'antimatière cosmologique qui manque toujours à l'appel.

L'antimatière n'a pas livré tous ses secrets. On ne comprend pas pourquoi l'univers observable apparaît très majoritairement constitué de matière alors que les lois du modèle standard de la physique des particules, spectaculairement confirmées une fois de plus par la découverte du boson de Brout-Englert-Higgs, prédisent qu'il devrait y avoir presque autant d'antimatière que de matière dans le cosmos. Il s'agit de l'énigme de l'antimatière cosmologique.

C'est pour tenter de percer ce mystère que les chercheurs du Cern tentent depuis plus de 20 ans de faire des mesures précises sur des atomes d'antihydrogène et des antiprotons. En 1995, ils ont annoncé avoir produit pour la première fois au monde un atome d'antihydrogène et en 2010, ils ont révélé qu'ils étaient en mesure de les piéger. En effet, pour faire des mesures solides, il faut disposer d'un grand nombre de ces antiatomes. Or, comme toutes les particules d'antimatière, les positrons et les antiprotons de ces antiatomes se désintègrent en émettant des rayons gamma lorsqu'ils rencontrent leurs antiparticules propres, respectivement les électrons et les protons. Il a donc fallu mettre au point un dispositif pour les isoler des atomes de matière normale et les piéger. On les maintient dans ce piège à l'aide d'un champ magnétique. Ces atomes possèdent en effet un moment magnétique et se comportent donc comme de petits aimants.

L'antimatière et la symétrie CPT

Ce choix de l'atome d'antihydrogène pour percer les mystères de l'antimatière et tenter de trouver des traces d'une nouvelle physique n'est pas anodin. Il y a d'abord le fait que l'hydrogène constitue environ 75 % de la matière observable. Surtout, c'est l'un des systèmes physiques les plus simples et les mieux décrits théoriquement avec les protons et les électrons. Or, il existe un théorème très profond, issu des lois de symétrie, qui s'applique à toutes les théories quantiques relativistes des champs, donc au modèle standard : le théorème CPT.

Une présentation de l'expérience Asacusa en 2011, alors que l'on venait de l'utiliser pour mesurer la masse des antiprotons. © Cern, YouTube

Il 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.

Les membres de l'expérience Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons (Asacusa) au Cern viennent de faire savoir qu'ils se préparaient à un nouveau bond dans la mesure précise des propriétés des atomes d'antihydrogène en annonçant, dans un article de Nature Communications, qu'ils avaient réussi pour la première fois au monde à produire un faisceau de tels atomes.

80 atomes d'antihydrogène en vol

Jusqu'à présent, les champs magnétiques qui permettaient de stocker un grand nombre d'atomes d'antihydrogène s'opposaient aussi à l'augmentation de la précision des mesures des niveaux d'énergies hyperfins de ces atomes. Pour contourner ce problème, il fallait pouvoir produire un faisceau d'atomes d'antihydrogène loin des gradients de champs magnétiques élevés de leur piège qui brouillaient les mesures spectroscopiques de ces niveaux. C'est chose faite avec la détection non ambiguë de 80 atomes d'antihydrogène à 2,7 mètres de leur lieu de production.

Il reste encore aux chercheurs à améliorer la qualité des faisceaux d'atomes d'antihydrogène qu'ils peuvent produire ainsi que leurs techniques de mesure sur ces objets. De nouvelles expériences sont prévues pour l'été 2014. Celles avec le LHC ne reprendront qu'en 2015.

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