Une vue générale de l'expérience Alpha au Cern. © Cern, Maximilien Brice

Sciences

Le spectre de l'antihydrogène révélera-t-il l'énigme de l'antimatière ?

ActualitéClassé sous :physique , cern , Alpha

L'expérience Alpha au Cern traque d'éventuelles différences entre les atomes d'hydrogène et d'antihydrogène, à la recherche d'une nouvelle physique et d'une solution à l'énigme de l'antimatière en cosmologie. Les physiciens ont réussi à observer l'équivalent de la raie Lyman-α de l'hydrogène... mais toujours pas de révolution en vue.

En 1928, cherchant une version relativiste de l'équation de Schrödinger décrivant un électron (à ne pas confondre avec une version relativiste de l'équation de Schrödinger qui est un problème beaucoup plus général), le physicien Paul Dirac découvre sa célèbre équation. Comme il le dira lui-même, elle était « plus intelligente » que lui car sa formulation mathématique fournissait automatiquement, et de façon totalement inattendue, non seulement le moment cinétique intrinsèque des électrons, leur spin, mais aussi leur moment magnétique.

Le plus spectaculaire, mais aussi le plus troublant, pour Dirac et ses collègues de la fin des années 1930 était l'existence de solutions de ces équations avec des énergies négatives, en raison de l'apparition d'une racine carrée pour l'énergie. On ne pouvait pas vraiment écarter ces solutions sur la base qu'elles ne devaient pas être physiques, ce qui conduisit finalement Dirac à postuler l'existence de ce que nous appelons aujourd'hui l'antimatière. Ces découvertes en cascade sont une des plus belles preuves qu'au moins, jusqu'à un certain point, le monde est construit sur des bases mathématiques que nous découvrons, n'inventons pas, et qui nous permettent d'anticiper l'existence de lois et d'objets, presque complètement a priori (une thèse multimillénaire défendue vigoureusement de nos jours par Max Tegmark).

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

L'équation de Dirac allait cependant conduire à une énigme de cosmologie. Une des bases de la théorie quantique des champs de particules. Elle 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 anti-électrons, 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. Or, au moment du Big Bang, autant de particules de matière que d'antimatière ont été formées, théoriquement, alors que nous observons une asymétrie très nette dans l'univers observable.

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 chercheurs du Cern traquent d'éventuelles différences entre matière et antimatière depuis des années dans de multiples expériences. Elles se basent sur la production et le stockage d'antiprotons ainsi que sur la fabrication d'atomes d'antihydrogène formés par la capture de positrons par les antiprotons. La découverte de ces différences ouvrirait automatiquement une porte sur de la nouvelle physique et pourrait même prendre en défaut, pour la première fois, la théorie de la relativité restreinte via une violation de ce que l'on appelle la symétrie CPT.

Futura a consacré plusieurs articles à ces expériences dont l'une revient assez souvent sur le devant de la scène, ce qui est le cas actuellement avec une nouvelle publication dans le journal Nature par les membres de la collaboration Alpha (Antihydrogen Laser PHysics Apparatus). Cette expérience consiste, en tout premier lieu, à provoquer et mesurer des transitions entre les niveaux d'énergies occupés par des positrons dans des atomes d'antihydrogène avec un faisceau laser. Ces mesures se doivent de gagner sans cesse en précision, autant que possible, en espérant voir des différences avec les atomes d'hydrogène.

Les spectres sont comme les papillons, pense le physicien danois Niels Bohr en ce début 1913. Les couleurs sont très belles, mais on a fait le tour du problème : grâce au spectroscope à prisme mis au point 50 ans plus tôt par les physiciens allemands Kirchhoff et Bunsen, tous les éléments chimiques ont fourni leur identité sous la forme de raies caractéristiques. Pourtant, ce sont ces traits lumineux qui vont offrir à Bohr la clé du secret des atomes. © Synchrotron SOLEIL

L'antihydrogène et la raie Lyman-α

Les chercheurs avaient réussi à explorer en premier des transitions dites hyperfines, techniquement celle appelée 1S-2S, similaire à celle donnant la fameuse raie à 21 cm. Mais aujourd'hui, c'est une autre transition dite 1S-2P, entre les niveaux d'énergie de l'atome de Bohr que l'on appelle une raie Lyman-α et qui a été découverte par Theodore Lyman en 1906, dans la région extrême-ultraviolette du spectre de l'hydrogène atomique, qui a été observée avec de l'antihydrogène. Dans le cas de l'hydrogène, la transition se produit lorsqu'un électron passe de son niveau d'énergie le plus faible (1S) à un niveau d'énergie plus élevée (2P), avant de retomber à son niveau initial en émettant un photon à une longueur d'onde de 121,6 nanomètres. Elle montrait que l'on pouvait prolonger la fameuse formule de Balmer pour les raies dans le visible de cet atome. Cette raie est très connue aussi en astronomie où elle conduit au fameux phénomène de la « forêt Lyman-α ».

L'expérience Alpha a donc permis de détecter la transition Lyman-α dans un atome d'antihydrogène avec des positrons en mesurant sa fréquence, avec une précision de l'ordre de quelques parties pour cent millions, obtenant une bonne concordance avec la transition équivalente dans l'hydrogène.

Ce succès a conduit Jeffrey Hangst, porte-parole de l'expérience Alpha, à déclarer « Nous sommes vraiment contents de ce résultatLa transition Lyman-alpha est, on le sait, difficile à analyser - même dans de l'hydrogène "normal"C'est en tirant parti de notre capacité de piéger et de garder pendant plusieurs heures un grand nombre d'atomes d'antihydrogène, et en utilisant une source pulsée de lumière laser Lyman-alpha, que nous avons réussi à l'observer. La prochaine étape sera le refroidissement par laser, qui changera la donne pour ce qui est des mesures spectroscopiques et gravitationnelles de précision. »

En effet, l'accès à la raie Lyman-alpha permet d'envisager de transposer les techniques de refroidissement d'atome par laser que l'on connaît. En ralentissant les mouvements dans un gaz d'atomes, on peut alors effectuer des mesures de raies encore plus précises et donc poser des bornes encore plus sévères sur une nouvelle physique.

Une présentation en anglais des expériences traquant les mystères des antiprotons et des atomes d'antihydrogène. © Cern

  • Un théorème fondamental de la physique, basé sur la théorie de la relativité et la théorie quantique, implique qu'il ne devrait pas y avoir de différence entre la matière et l'antimatière et donc, que protons, neutrons et électrons auraient dû être fabriqués en même nombre au moment du Big Bang.
  • Ce n'est pas le cas, et les physiciens suspectent donc des différences entre matière et antimatière qu'ils cherchent à mettre en évidence, en mesurant le spectre d'atomes d'antihydrogène dans le cadre de l'expérience Alpha au Cern.
  • Après 30 ans d'efforts, la précision atteinte est proche des mesures du spectre de l'atome d'hydrogène avec les transitions 1S-2S et 1S-2P (raie Lyman-α), mais toujours pas de trace d'une nouvelle physique.
Pour en savoir plus

Alpha, l'antimatière et une raie hyperfine de l'antihydrogène

Article de Laurent Sacco, publié le 06/04/2018

L'expérience Alpha au Cern traque d'éventuelles différences entre les atomes d'hydrogène et d'antihydrogène à la recherche d'une nouvelle physique et d'une solution à l'énigme de l'antimatière en cosmologie. Un nouveau record de précision a été atteint mais toujours pas de révolution en vue.

Le LHC est sorti dernièrement, le 30 mars 2018 pour être précis, de son sommeil hivernal avec le grand retour des faisceaux de protons dans ses anneaux de 27 kilomètres de circonférence. La chasse à la nouvelle physique ne débutera en fait qu'en mai, car il reste encore des réglages à effectuer avant de faire des collisions dans les détecteurs géants du LHC. Les physiciens pourront alors débuter une septième année de prise de données, et la quatrième à l'énergie de collision de 13 TeV. Ce sera cependant la dernière année du second run du LHC qui s'arrêtera alors pendant deux ans pour être upgradé, plus précisément pour préparer le HL-LHC, le LHC à haute luminosité.

La physique fondamentale ne va pas s'arrêter pour autant, car il existe d'autres expériences à plus basses énergies au Cern, comme celle nommée Alpha (Antihydrogen Laser Physics Apparatus) à laquelle Futura a consacré de nombreux articles depuis plusieurs années. Le Cern s'est non seulement fait un nom avec la découverte des bosons Z, W et bien sûr de Brout-Englert-Higgs, mais aussi en passant maître dans le stockage des antiprotons et finalement, dans la production et le piégeage des atomes d'antihydrogène.

Une vidéo expliquant le fonctionnement de l'expérience Alpha au Cern. 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 ». © Cern, Niels Madsen

L'atome d'antihydrogène, un laboratoire pour une nouvelle physique

L'expérience Alpha se propose d'étudier de plus en plus finement le spectre de ces atomes dans l'espoir de découvrir des différences avec celui, très connu et fort bien mesuré, des atomes d'hydrogène. En l'occurrence, il s'agit de provoquer des transitions atomiques dans les atomes d'antihydrogène à l'aide de faisceaux laser. L'observation de ces potentielles différences secouerait automatiquement les fondations de la physique en remettant en cause la théorie de la relativité restreinte, voire également la théorie quantique. Elle pourrait aussi fournir la clé de l'énigme de l'antimatière en cosmologie, car les lois du modèle standard en physique des particules sont muettes lorsqu'il s'agit d'expliquer pourquoi on ne trouve pas autant d'antimatière que de matière à l'échelle du cosmos observable, alors que ces mêmes lois prédisent qu'elles auraient dû être produites en quantités égales pendant le Big Bang.

Les membres de la collaboration Alpha viennent justement de faire savoir via un article publié dans Nature qu'ils avaient réussi à pousser de plusieurs crans plus loin, une mesure fine du spectre résultant de la transition atomique 1S-2S dans l'antihydrogène. La précision obtenue est de l'ordre de quelques parties pour mille milliards, un résultat 100 fois plus précis que la dernière mesure réalisée en 2016 (voir l'article ci-dessous).

Jeffrey Hangst, porte-parole de l'expérience Alpha, ne cache pas son enthousiasme comme on peut s'en rendre compte par une déclaration rapportée sur le site du Cern : « La précision obtenue avec cette nouvelle mesure est une ultime réussite pour nousCela fait 30 ans que nous essayons de l'obtenir, et nous y sommes enfin parvenus ».

Il reste cependant des progrès à faire avant d'égaler la précision de la même mesure avec l'atome d'hydrogène. La marge de progrès est de 3 ordre de grandeur, c'est-à-dire un facteur 1.000.


Le spectre de l'antihydrogène continue de livrer ses secrets

Article de Laurent Sacco, publié le 21/12/2016

À la recherche d'une nouvelle physique et d'une meilleure compréhension du Big Bang, les physiciens du Cern traquent des différences entre la matière et l'antimatière. Leurs derniers résultats concernent la façon dont les atomes d'antihydrogène absorbent et émettent de la lumière.

Les membres de la collaboration Alpha (Antihydrogen Laser Physics Apparatus) au Cern viennent d'annoncer via un article publié dans Nature qu'ils avaient poussé un cran plus loin l'étude du spectre d'un atome d'antihydrogène, c'est-à-dire les caractéristiques du rayonnement électromagnétique que cet atome peut absorber et émettre.

Comme nous l'avons vu dans un précédent article, ce sont des transitions dites hyperfines entre les niveaux d'énergies d'un positron dans un tel anti-atome qui avaient été produites puis mesurées il y a quelques années. Les physiciens, comme ils l'annonçaient à cette époque, sont parvenus à observer des transitions dans le domaine de la lumière ultraviolette, c'est-à-dire dans leur terminologie, l'équivalent des transitions entre les niveaux 1S et 2S d'un atome de Bohr où un positron a été substitué à un électron, et un antiproton à un proton.

Rappelons que les chercheurs du Cern ont une longue tradition en ce qui concerne la production et le stockage des antiprotons grâce notamment aux travaux du prix Nobel de physique Simon van der Meer. Cela leur a permis de fabriquer en 1995, le premier atome d'antihydrogène puis d'en produire en grande quantité avec l'expérience Athena en 2002. Grâce à celle baptisée Alpha, qui a débuté en 2010, les physiciens du Cern sont finalement parvenus à piéger ces antiatomes pour les étudier à leur guise.

En 2016, pour étudier l'antihydrogène, les chercheurs ont commencé par mélanger environ 90.000 antiprotons, issus d'une machine appelée Décélérateur d'antiprotons, avec des positrons issus de la désintégration radioactive de noyaux de sodium 22, ce qui a permis la synthèse d'environ 25.000 atomes d'antihydrogène. Le gaz obtenu a été refroidi en dessous de 1 degré Kelvin et certains de ces atomes d'antihydrogène ont ensuite été piégés magnétiquement. Cela a ensuite permis d'étudier finement les transitions atomiques en excitant ces atomes à l'aide de faisceaux lasers.

Une présentation du dernier résultat des membres de la collaboration Alpha par leur porte-parole, Jeffrey Hangst. 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 ». © Cern

Une violation de la relativité restreinte avec l'antihydrogène ?

Pour le moment, à la précision des mesures atteintes (elles devraient s'améliorer dans un futur proche), il n'y a pas de différence observable entre la façon dont un atome d'hydrogène absorbe et émet de la lumière à des fréquences bien précises et la façon dont le fait, à ces mêmes fréquences, un atome d'antihydrogène. Si toutefois une telle différence venait à être observée, cela signifierait que l'on est en présence d'une violation du théorème CPT, un théorème très profond, issu des lois de symétrie, qui s'applique à toutes les théories quantiques relativistes des champs, donc au modèle standard.

Ce théorème 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.

Une violation de ce théorème dans l'expérience Alpha indiquerait de toute façon que la théorie de la relativité restreinte ne s'applique pas dans certaines situations, ce qui serait une révolution ouvrant une fenêtre sur une nouvelle physique.


Premières études du spectre de l'antihydrogène

Article de Laurent Sacco, publié le 19/03/2012

L'antigravité est-elle possible ? Peut-on déceler des antigalaxies dans l'univers ? Un bon moyen de répondre à ces questions est d'étudier le spectre des atomes d'antihydrogène. C'est ce que commencent à faire les chercheurs de l'expérience Alpha au Cern.

L'humanité a créé son premier atome d'antihydrogène en 1995 au Cern. Si l'on sait produire des antiprotons depuis les années 1950 et des antiélectrons depuis plus longtemps encore, la synthèse d'un antiatome n'est pas facile car les particules d'antimatière prédites théoriquement par Paul Dirac en 1928 ont le défaut de s'annihiler avec leurs particules de matière associées lorsqu'elles se rencontrent. Empêcher un positron de disparaître en entrant en collision avec un électron, ou qu'un antiproton fasse de même avec les protons d'un noyau n'est guère facile dans notre monde où, étrangement, la matière prédomine de façon écrasante sur l'antimatière.

Pourtant, au début de la naissance de l’univers observable, il aurait dû être créé autant de matière que d'antimatière. C'est du moins ce que nous disent les équations du modèle standard. Une façon d'expliquer cette asymétrie, cette énigme de l'absence de l'antimatière en cosmologie, est de faire intervenir une physique au-delà du modèle standard. Il se pourrait par exemple qu'à hautes énergies, notre univers soit effectivement décrit par des théories de type GUT comme vient de nous expliquer Julien Baglio. La découverte d'un boson de Higgs supersymétrique pourrait être une bonne indication sur le fait que l'architecture du cosmos repose véritablement sur ces fondations.

D'autres proposent des hypothèses encore plus folles. Sommes-nous sûrs que l'antimatière tombe dans le champ de gravitation d'un objet composé de matière normale ? Et si une faible antigravité existait entre matière et antimatière, ayant conduit l'univers primitif à se séparer en deux ou de multiples régions distinctes ? Si tel est le cas, peut-être même des galaxies et des antigalaxies forment-elles des amas se repoussant les uns les autres. Ils se tiendraient ainsi à bonne distance, en évitant des contacts destructeurs qui généreraient des flots de rayons gamma... qu'on n'observe pas.

À gauche Woflgang Pauli et à droite Paul Dirac. Tous les deux sont prix Nobel de physique et figurent parmi les pères fondateurs de la mécanique quantique. Notre connaissance théorique de l'antimatière repose lourdement sur leurs travaux des années 1930-1940. Si Dirac a été le premier à prédire l'existence de l'antimatière, c'est Pauli qui a compris le premier, en 1924, que la structure spectrale hyperfine de l'hydrogène découverte au XIXe siècle par Michelson s'expliquait bien si électrons et noyaux avaient un moment magnétique propre. © Cern

Pour espérer répondre à toutes ces questions, l'un des moyens les plus sûrs est probablement de créer un grand nombre d'atomes d'antihydrogène pour étudier leurs propriétés en laboratoire afin de savoir si des antiatomes sont vraiment les équivalents des atomes de matière. Ont-ils les mêmes spectres d'émission ? Autrement dit, la lumière d'une antigalaxie est-elle indiscernable de celle d'une galaxie composée de matière « normale » ? Tombent-ils de la même façon dans le champ de gravitation de la Terre ?

Pour traquer les mystères de l'antimatière, les chercheurs du Cern ont dû parvenir à créer un grand nombre de ces antiatomes puis, surtout, qu'ils existent suffisamment longtemps pour faire l'objet de mesures. Ces deux conditions ont été réalisées depuis quelques années avec l'expérience Alpha (Antihydrogen Laser Physics Apparatus).

Dans une publication du journal Nature, les membres de la collaboration Alpha annoncent aujourd'hui commencer à être en mesure d'étudier le spectre des atomes d'antihydrogène.

La structure spectrale hyperfine de l'antihydrogène

Pour le moment, les chercheurs n'ont pas observé les transitions atomiques principales équivalentes à celles d'un électron sautant sur différentes orbites d'un atome de Bohr. Ils se sont contentés de provoquer des transitions au niveau de ce qu'on appelle la structure spectrale hyperfine de l'atome d'antihydrogène neutre. Pour cela, des micro-ondes ont provoqué le basculement du moment magnétique intrinsèque du positron, qui se produit à une fréquence bien particulière. Le choix de ce type de transition n'est probablement pas anodin.

On sait en effet que l'atome d'hydrogène possède des niveaux d'énergie fins résultant de l'interaction magnétique du spin de son électron avec celui de son proton. Selon que ces deux spins sont parallèles ou antiparallèles, le niveau d'énergie de l'électron n'est pas le même et une transition avec émission d'un photon d'une longueur d'onde de 21 cm est possible. Cette transition est très utile en astrophysique pour cartographier l'hydrogène atomique dans une galaxie. C'est la fameuse raie à 21 cm de l'hydrogène.

Dans le cas de l'expérience Alpha, le fait qu'une transition de ce type se produise effectivement avec certains des antiatomes capturés dans un piège de Penning se signale par l'évasion de ces antiatomes hors du piège. Entrant en collision avec des atomes, ils s'annihilent en laissant des traces mesurables caractéristiques.

Les chercheurs se préparent maintenant à aller plus loin en effectuant des transitions atomiques avec des lasers. Ce n'est que lorsque des mesures fines et précises du spectre des atomes d'antihydrogène auront été réalisées que des différences entre matière et antimatière, issues d'une physique au-delà du modèle standard, pourront peut-être apparaître au grand jour.

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