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Peut-on synthétiser des molécules d'antimatière avec du quartz ?

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Depuis quelques années, les physiciens sont parvenus à fabriquer en laboratoire des atomes d'antihydrogène où positrons et antiprotons remplacent électrons et protons. En fait, ils avaient déjà observé un autre "atome d'antihydrogène" depuis 1951 avec la découverte par Deutsch d'un objet prédit théoriquement dans les années 30 : le positronium. Il s'agit tout simplement d'un état lié d'un électron et de son antiparticule, le positron, ce dernier jouant le rôle d'un proton dans "l'atome" ainsi formé. D'après des expériences et des calculs théoriques récents, ce serait de véritables molécules de positronium, l'analogue des molécules H2, qui se formeraient temporairement à la surface d'un morceau de quartz soumis à un faisceau de positrons.

En vert la distribution de probabilité de formation d'une molécule de positronium à la surface d'un morceau de quartz (Crédit : R. Saniz/Northwestern Univ).
La création d'un atome d'anti-hydrogène à partir de la collision entre un anti-proton et un positronium (Crédit : www.weltderphysik.de).

L'antimatière a une longue histoire qui remonte à la prédiction théorique brillante faite en 1931 par le légendaire Paul Dirac. Cherchant une généralisation relativiste de l'équation de Schrödinger d'un électron, il avait alors découvert l'équation portant son nom et qui, à sa grande surprise, autorisait des solutions à énergies négatives. Correctement réinterprétées comme des solutions à énergies positives mais avec changement du signe de la charge, ces solutions conduisirent Dirac à proposer, presque sur la seule base des mathématiques, que chaque particule chargée ait une jumelle de charge opposée.

Cette prédiction sur des bases presque platoniciennes de l'existence d'un nouvel objet dans la nature ne rencontra guère d'échos, jusqu'à ce qu'Anderson ne découvre le positron, le jumeau de l'électron, dans les rayons cosmiques en 1932. Aujourd'hui, l'antimatière est une chose banale que l'on crée et emploie tous les jours en imagerie médicale par exemple.

Très rapidement, l'idée qu'il puisse se former des états liés d'un électron et d'un positron est proposée et la démonstration théorique en est donnée par le grand John Wheeler en 1946, peu de temps avant sa détection en 1951.

Les expériences avec quartz

En 2005, une équipe menée par le physicien Allen Mills de l'University of California à Riverside publia le résultat d'une expérience dans laquelle des positrons étaient collectés et rassemblés dans un piège magnétique, puis utilisés pour produire un intense faisceau composé par ces particules. En dirigeant celui-ci sur une forme particulière de quartz, avec des nanopores, ils s'attendaient, d'un part, à la création d'électrons par interaction des positrons avec les atomes de ce quartz et, d'autres part, à la formation dans les pores d'un gaz suffisamment dense de positrons et d'électrons pour qu'une quantité assez importante de positroniums se forme.

Comme les positroniums constituent un état lié instable, mais ressemblant à l'atome d'hydrogène, positrons et électrons finissent par se rencontrer pour s'annihiler et produire une paire de photons gamma. En fait, et c'était la véritable raison de cette expérience, ce pourrait être là un moyen commode de produire des lasers à rayons gamma. Le raisonnement suivi était que, du fait de collisions entre les positroniums formés dans le gaz occupant les nanopores, le taux d'annihilation positrons/électrons serait augmenté et l'intensité du rayonnement gamma produit plus grande.

Surprise, l'augmentation du taux de désintégration était bien au rendez-vous mais quatre fois plus grande que prévue !

Le débat théorique

L'explication proposée par l'équipe à l'époque était que de véritables molécules de positronium devaient aussi se former, un facteur de plus, d'après les calculs, de l'augmentation du taux de désintégration. Sauf que ces derniers calculs manquaient de solidité. Pire, on ne tarda pas à s'apercevoir que d'après d'autres effectués il y a 30 ans, les interactions des positroniums avec la surface d'un cristal de quartz devaient empêcher ce phénomène de se produire. Toutefois, les outils théoriques mis à la disposition des physiciens pour attaquer ce genre de problème ont bien évolué depuis cette date, et Rolando Saniz de la Northwestern University en Illinois a décidé de rééxaminer la question avec ses collègues.

Dans une nouvelle publication, ils montrent qu'effectivement, les positroniums pouvaient se retrouver suffisamment piégés à la surface du quartz pour que des états liés se forment, favorables ensuite à la création de molécules de positronium. Bien mieux, le niveau d'énergie de liaison calculé est bien celui observé par Mills et ses collègues :un résultat qui conforte donc l'interprétation proposée de l'apparition de ces molécules d'antimatière.

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