Une vue générale de l'expérience Alpha (Antihydrogen Laser Physics Apparatus) au Cern. On espère qu'elle permettra 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 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

Sciences

Le Cern sur la piste de l'énigme de l'antimatière avec l'antihydrogène

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En étudiant le comportement de 386 atomes d'antihydrogène créés spécialement pour l'expérience Alpha, les physiciens du Cern ont tenté de percer l'énigme de l'antimatière cosmologique. Plongés dans un champ électrique, ils se sont déplacés d'une façon compatible avec une charge électrique totale nulle, à l'instar des atomes d'hydrogène. Les chercheurs ne lâchent pas l'affaire et continueront à les utiliser pour traquer d'éventuelles différences entre matière et antimatière.

Dans son célèbre cours de physique, dans la partie traitant de l'électromagnétisme, le prix Nobel de physique Richard Feynman pose la question suivante : « si vous vous teniez à un bras de distance de quelqu'un et que chacun de vous avait 1 % d'électrons de plus que de protons, la force de répulsion serait incroyable. De quelle grandeur ? Suffisante pour soulever l'Empire State Building ? » Et il donne dans la foulée la réponse : « Non ! La répulsion serait suffisante pour soulever un "poids" égal à celui de la Terre entière ».

Si les charges électriques des électrons et des protons dans les atomes ne se compensaient pas avec une très bonne précision, les atomes ne seraient pas neutres. Pour autant que nous le sachions, ils le sont bien, mais qu'en est-il pour des antiatomes ? La question peut sembler purement académique, mais elle ne l'est pas. Si des antiatomes n'étaient pas neutres, cette simple constatation ébranlerait les fondements de la physique théorique du XXe siècle, c'est-à-dire la théorie de la relativité restreinte, la mécanique quantique, voire les deux en même temps. Du même coup, on aurait peut-être un début de réponse à une vieille énigme de la cosmologie, la quasi-absence d'antimatière dans l'univers observable.

Alpha observe l'antimatière

Les chercheurs du Cern ne s'y sont pas trompés, et après avoir réussi ces dernières années à fabriquer des atomes d'antihydrogène puis de s'en servir pour réaliser des faisceaux d'atomes, ils ont tenté de mesurer d'éventuelles déviations de leur trajectoire dans un champ électrique. Cette étude a été menée dans le cadre de l'expérience Alpha (Antihydrogen Laser Physics Apparatus) auprès du décélérateur d'antiprotons du Cern (AD), et ses résultats viennent d'être publiés dans un article de Nature Communications. On peut se faire une idée de ce travail en consultant un article en accès libre sur arxiv. Mais pourquoi les physiciens ont-ils pris pour sujet d'étude un anti-atome d'hydrogène, et quel est le rapport entre cette expérience et la cosmologie ?

Wolfgang Pauli en pleine discussion sur les théories relativistes de champs unifiés avec Pascual Jordan en 1955 à Hambourg. Pauli a donné la première démonstration du théorème CPT. Des observations de sa violation avec l'antihydrogène ouvriraient une ère nouvelle en physique théorique et en cosmologie. © Cern

Il faut déjà savoir que l'atome d'hydrogène est l'un des systèmes physiques les plus étudiés et les mieux compris de la physique quantique. On peut résoudre exactement l'équation de Dirac décrivant les niveaux d'énergie de l'électron dans cet atome, et l'électrodynamique quantique permet de calculer son comportement avec une remarquable précision. On arrive aussi par le calcul à retrouver la masse du proton en utilisant la chromodynamique quantique. Enfin, l'hydrogène est l'élément le plus abondant dans l'univers.

L'antihydrogène et la symétrie CPT

Or, dans le cadre du modèle standard et de la théorie quantique des champs relativistes, une égale quantité de matière et d'antimatière aurait dû être créée au moment du Big Bang. Il est possible de rendre compte de cette asymétrie en introduisant de la nouvelle physique impliquant de subtiles différences entre les particules et leurs antiparticules. L'une des solutions les plus extrêmes conduit à violer un théorème fondamental de la théorie quantique des champs relativistes, celui concernant la symétrie dite CPT. D'après ce théorème, un atome d'antihydrogène doit se comporter exactement de la même manière qu'un atome d'hydrogène, positron et antiproton doivent avoir les mêmes masses que l'électron et le proton et des charges identiques mais opposées. Les niveaux d'énergie des atomes et des antiatomes (et pas seulement d'hydrogène) doivent être les mêmes. Un anti-atome doit être tout aussi neutre qu'un atome.

De fait, dans l'expérience qu'ils ont menée, les chercheurs du Cern ont montré que la charge électrique que pourrait porter l'antihydrogène doit avoir une valeur aussi faible que (1,3 ± 1,1 ± 0,4) x 10-8 fois la charge de l'électron, les nombres précédés du signe « ± » représentant les incertitudes statistiques et systématiques de la mesure. La valeur de cette charge est donc compatible avec zéro jusqu'à la huitième décimale. Nullement découragés, les physiciens vont poursuivre les recherches sur d'éventuelles différences de comportement entre la matière et l'antimatière cette année notamment avec l'expérience Aegis, qui partira, elle, sur la piste de l'antigravité, toujours avec l'antihydrogène.

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