Un antiproton se comporte-t-il comme un proton de charge négative ? On cherche à démontrer au Cern que ce n’est pas le cas en mesurant, par exemple, son moment magnétique. Toute différence ébranlerait la théorie de la relativité, mais permettrait peut-être de comprendre pourquoi l’antimatière est rare dans l’univers.
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C'est le physicien Paul Dirac qui, le premier, a prédit théoriquement l'existence des particules d'antimatière, en combinant les lois de la mécanique quantiquemécanique quantique et de la relativité restreinterelativité restreinte. Son but était de décrire finement le comportement des électronsélectrons et des protons dans les atomesatomes, à des vitessesvitesses arbitrairement proches de celles de la lumièrelumière. Ce faisant, il a contribué à jeter les bases des théories quantiques relativistes des champs de matièrematière et de force sur lesquelles repose le modèle standardmodèle standard.

Un théorèmethéorème qui dérive de ces théories implique que ces champs doivent respecter ce que l'on appelle l'invariance CPT. En clair, prenez n'importe quelle expérience de physiquephysique ou de chimiechimie dans l'universunivers observable, et refaites-la en remplaçant les particules de matière par de l'antimatièreantimatière (ou inversement). Puis prenez son image dans un miroirmiroir (ce qui inversera par exemple le sens du courant dans une bobine électrique), et renversez le sens des divers mouvementsmouvements, comme si l'écoulement du temps se faisait à l'envers. L'invariance CPT stipule que l'expérience doit être réalisable et que, de plus, on ne distinguera aucune différence avec la première.

De gauche à droite, Emilio Segrè, Clyde Wiegand, Edward Lofgren, Owen Chamberlain et Thomas Ypsilantis, les membres de l'équipe qui a découvert l'antiproton en 1955. © <em>Lawrence Berkeley National Laboratory</em>

De gauche à droite, Emilio Segrè, Clyde Wiegand, Edward Lofgren, Owen Chamberlain et Thomas Ypsilantis, les membres de l'équipe qui a découvert l'antiproton en 1955. © Lawrence Berkeley National Laboratory

Une fenêtre sur de la nouvelle physique

Les travaux de Dirac conduisaient naturellement à la prédiction de l'existence de l'antiprotonantiproton, et celui-ci a effectivement été découvert en 1955 par Emilio Segrè, Clyde Wiegand, Edward Lofgren, Owen Chamberlain et Thomas Ypsilantis. De nos jours, on produit des antiprotons pour diverses raisons. On fabrique notamment avec eux des atomes d'antihydrogène, où on les piège individuellement dans un champ magnétiquechamp magnétique. C'est ce qui est réalisé par exemple au CernCern dans le cadre de l'expérience Antihydrogen Trap (Atrap).

Les physiciens cherchent à détecter avec les antiprotons des violations de l'invariance CPT. Ce pourrait être par exemple d'infimes différences entre les massesmasses et les charges des protons et celles des antiprotons. L'observation de telles différences ébranlerait fortement les fondements de la relativité restreinte à cause du théorème CPT, et impliquerait de la nouvelle physique. On espère en particulier que des différences de comportement entre matière et antimatière donneront des clés pour résoudre l'énigme de l'antimatière cosmologique. En effet, on ne comprend pas vraiment pourquoi il n'y a pas autant de matière que d'antimatière dans l'univers observable.

Un proton se comporte à la fois comme une petite boule chargée et comme un barreau aimanté. Par symétrie CPT (comme le montre l'image supérieure de ce schéma), il devient un antiproton, en quelque sorte une copie inversée, par miroir, d'un proton. L'image du bas correspond au principe de l'expérience de mesure de son moment magnétique dans Atrap (tel qu'il est décrit dans le texte ci-dessous). © Alan Stonebraker, APS

Un proton se comporte à la fois comme une petite boule chargée et comme un barreau aimanté. Par symétrie CPT (comme le montre l'image supérieure de ce schéma), il devient un antiproton, en quelque sorte une copie inversée, par miroir, d'un proton. L'image du bas correspond au principe de l'expérience de mesure de son moment magnétique dans Atrap (tel qu'il est décrit dans le texte ci-dessous). © Alan Stonebraker, APS

Les chercheurs du Cern ont récemment publié sur arxiv les derniers résultats de leur quête d'une physique au-delà du modèle standard et de son invariance CPT avec Atrap. Pour cela, ils se sont concentrés sur la mesure précise du moment magnétiquemoment magnétique d'un antiproton dans un piège de Penning. Plongé dans un champ magnétique et soumis à des ondes radioradio, l'antiproton piégé y tourne comme en orbiteorbite dans un cyclotroncyclotron à une fréquencefréquence donnée fc. Son spinspin bascule aussi périodiquement selon une autre fréquence, fs, en étant orienté parallèlement au champ magnétique. La mesure de ces deux fréquences permet alors d'accéder à une mesure du moment magnétique de l'antiproton.

Rappelons que ce moment ressemble à celui, en physique classique, d'une sphère chargée en rotation se comportant comme un petit aimantaimant. Cependant, il s'agit ici d'un effet foncièrement quantique, et l'analogieanalogie avec la sphère ne doit pas être poussée trop loin.

Les membres d'Atrap ont réussi à améliorer d'un facteur 680 la précision des mesures déjà faites du moment magnétique d'un antiproton : elles ne montrent pas une différence supérieure à cinq millionièmes avec celle d'un protonproton. Les scientifiques ne comptent pas s'arrêter en si bon chemin, et pensent pouvoir bientôt aboutir à une précision de l'ordre du milliardième.