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Record de masse pour de l'antimatière : des noyaux d'antihélium 4

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Les physiciens du Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), au Brookhaven National Laboratory, viennent d'annoncer le plus lourd noyau d'antimatière jamais créé par l'Homme : des noyaux d'antihélium 4 avec deux neutrons et deux protons.

Une image illustrant la quête d'états extrêmes de la matière en astrophysique à l'aide de RHIC. © Felix Matathias

L'antimatière a d'abord été découverte théoriquement à partir de considérations relevant presque des mathématiques pures par Paul Dirac en 1928. Mais ce n'est qu'en 1932 que Carl Anderson fit effectivement l'observation du positron, l'antiparticule associée à l'électron. La seconde étape fut la découverte de l'antiproton par Emilio Segrè, Clyde Wiegand, Edward Lofgren, Owen Chamberlain, et Thomas Ypsilantis en 1955 suivie de celle de l'antineutron l'année suivante par William Wenzell, Bruce Cork, Glenn Lambertson et Oreste Piccioni.

On savait donc depuis cette époque qu'il devrait pouvoir exister dans l'univers observable de véritables noyaux et même des atomes d'antimatière. La question qui se posait alors naturellement était celle de l'existence possible d'antiétoiles et même d'antigalaxies dans l'univers observable. Malheureusement, si de tels objets existaient, ils devraient donner lieu à de gigantesques réactions d'annihilations avec les particules de matière, générant un intense rayonnement gamma.

Rien de semblable n'émergea des campagnes d'observations dans les années 1960 et 1970. On connaît bien sûr de nos jours les sursauts gamma mais ces observations ne peuvent s'interpréter comme la trace de l'existence d'antiétoiles. Or, dans le cadre du modèle standard de la cosmologie, celui-du Big Bang, il devrait exister autant d'antimatière que de matière dans l'univers. Ce n'est pas le cas et cette absence d'antimatière est l'une des énigmes les plus troublantes de la cosmologie et de la physique moderne.

De gauche à droite, les découvreurs de l'antineutron en 1956, William Wenzell, Bruce Cork, Glenn Lambertson et Oreste Piccioni. © Lawrence Berkeley National Laboratory

On sait cependant fabriquer des antinoyaux et l'on était même arrivé à synthétiser de l'antihélium 3. Les chercheurs de la collaboration Star viennent de publier un article sur Arxiv dans lequel ils annoncent avoir observé plus lourd encore, un noyau d'anti-hélium 4. Pour cela, ils ont fait entrer en collision des ions lourds avec le Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) du Brookhaven National Laboratory.

Un sous-produit du plasma quark-gluon

Ce faisant, ils ont produit un plasma de quarks-gluons dans lequel les quarks se sont rapidement reconfigurés pour donner des états liés, c'est-à-dire des hadrons comme les pions, les protons des neutrons et leurs antiparticules. Ces particules se sont alors attirées en raison des forces nucléaires fortes pour former des antinoyaux et c'est ainsi que 18 noyaux d'antihélium ont été observés. Le taux de production de ces antinoyaux d'hélium étant très faible et conforme aux prédictions théoriques, il en résulte qu'il n'est pas possible de produire de grandes quantités de ces antinoyaux dans les processus astrophysiques habituels. Le milieu interstellaire dans la Voie lactée ne devrait donc pas contenir de l'antihélium détectable sous forme de rayon cosmique

Le détecteur AMS, le Hubble des rayons cosmiques, ne devrait pas tarder à rejoindre l'ISS. Si cet instrument devait détecter des noyaux d'antihélium, il faudrait en conclure qu'il existe bel bien dans un environnement proche du Soleil ou de la Voie lactée, des antiétoiles.

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