Au cours d’expériences menées au laboratoire national de Brookhaven aux États-Unis, une équipe internationale de physiciens a détecté les « antinoyaux » les plus lourds jamais observés. Ces minuscules objets à courte durée de vie sont composés de particules d’antimatière exotiques.
Les mesures de la fréquence à laquelle ces entités sont produites et de leurs propriétés confirment notre compréhension actuelle de la nature de l’antimatière et aideront à la recherche d’un autre type mystérieux de particules – la matière noire – dans l’espace lointain.
Les résultats ont été publié 21 août à Nature.
Un monde miroir manquant
L’idée de l’antimatière n’a pas encore un siècle. En 1928, le physicien britannique Paul Dirac a élaboré une théorie très précise du comportement des électrons qui prédisait une chose inquiétante : l’existence d’électrons dotés d’une énergie négative, ce qui aurait rendu impossible l’existence de l’univers stable dans lequel nous vivons.
Heureusement, les scientifiques ont trouvé une explication alternative à ces états « d’énergie négative » : les antiélectrons, ou jumeaux de l’électron de charge électrique opposée. Les antiélectrons ont été découverts lors d’expériences en 1932, et depuis lors, les scientifiques ont découvert que toutes les particules fondamentales ont leurs propres équivalents en antimatière.
Mais cela soulève une autre question. Les antiélectrons, les antiprotons et les antineutrons devraient pouvoir se combiner pour former des antiatomes, voire des antiplanètes et des antigalaxies. De plus, nos théories du Big Bang suggèrent que des quantités égales de matière et d’antimatière ont dû être créées au début de l’univers.
Mais partout où nous regardons, nous voyons de la matière, et seulement des quantités insignifiantes d’antimatière. Où est passée l’antimatière ? C’est une question qui taraude les scientifiques depuis près d’un siècle.
Fragments d’atomes brisés
Les résultats d’aujourd’hui proviennent de la Expérience STARsitué au Collisionneur d’ions lourds relativistes au Brookhaven National Lab aux États-Unis.
L’expérience consiste à fracasser les noyaux d’éléments lourds comme l’uranium à une vitesse extrêmement élevée. Ces collisions créent de minuscules boules de feu intenses qui reproduisent brièvement les conditions de l’univers dans les premières millisecondes après le Big Bang.
Chaque collision produit des centaines de nouvelles particules, et l’expérience STAR est en mesure de les détecter toutes. La plupart de ces particules sont des entités instables et de courte durée de vie appelées pions, mais il arrive parfois que des particules plus intéressantes apparaissent.
Dans le détecteur STAR, les particules traversent un grand récipient rempli de gaz à l’intérieur d’un champ magnétique et laissent des traces visibles dans leur sillage. En mesurant l’« épaisseur » des traces et la mesure dans laquelle elles se courbent sous l’effet du champ magnétique, les scientifiques peuvent déterminer quel type de particule les a produites.
La matière et l’antimatière ont une charge opposée, donc leurs trajectoires se courbent dans des directions opposées dans le champ magnétique.
« Antihyperhydrogène »
Dans la nature, les noyaux des atomes sont constitués de protons et de neutrons. Cependant, il est également possible de fabriquer ce que l’on appelle un « hypernoyau », dans lequel l’un des neutrons est remplacé par un hypéron, une version légèrement plus lourde du neutron.
Ce que les chercheurs ont détecté lors de l’expérience STAR était un hypernoyau constitué d’antimatière, ou antihypernoyau. En fait, il s’agissait du noyau d’antimatière le plus lourd et le plus exotique jamais observé.
Plus précisément, il est constitué d’un antiproton, de deux antineutrons et d’un antihypéron, et porte le nom d’antihyperhydrogène 4. Parmi les milliards de pions produits, les chercheurs de STAR n’ont identifié que 16 noyaux d’antihyperhydrogène 4.
Les résultats confirment les prévisions
La nouvelle étude compare ces nouveaux antinoyaux, plus lourds, ainsi qu’une multitude d’autres antinoyaux plus légers à leurs homologues de la matière normale. Les hypernoyaux sont tous instables et se désintègrent après environ un dixième de nanoseconde.
En comparant les hypernoyaux avec leurs antihypernoyaux correspondants, nous voyons qu’ils ont des durées de vie et des masses identiques, ce qui est exactement ce que l’on attendrait de la théorie de Dirac.
Les théories existantes prédisent également avec précision comment les antihypernoyaux plus légers sont produits plus souvent et les plus lourds plus rarement.
Un monde d’ombre aussi ?
L’antimatière a également des liens fascinants avec une autre substance exotique, la matière noire. D’après les observations, nous savons que la matière noire imprègne l’univers et qu’elle est cinq fois plus présente que la matière normale, mais nous n’avons jamais été capables de la détecter directement.
Certaines théories de la matière noire prédisent que si deux particules de matière noire entrent en collision, elles s’annihileront mutuellement et produiront une explosion de particules de matière et d’antimatière. Cela produirait alors de l’antihydrogène et de l’antihélium, et une expérience appelée Spectromètre magnétique alpha à bord de la Station spatiale internationale, on veille dessus.
Si nous observions de l’antihélium dans l’espace, comment saurions-nous s’il a été produit par de la matière noire ou de la matière normale ? Des mesures comme celle-ci, réalisée par STAR, nous permettent d’étalonner nos modèles théoriques sur la quantité d’antimatière produite lors de collisions avec de la matière normale. Cette dernière étude fournit une mine de données pour ce type d’étalonnage.
Des questions fondamentales demeurent
Nous avons beaucoup appris sur l’antimatière au cours du siècle dernier. Cependant, nous ne sommes toujours pas parvenus à répondre à la question de savoir pourquoi nous en voyons si peu dans l’Univers.
L’expérience STAR est loin d’être la seule à tenter de comprendre la nature de l’antimatière et sa destination. Des travaux sur des expériences telles que LHCb et Alice à la Grand collisionneur de hadrons en Suisse, nous améliorerons notre compréhension en recherchant des signes de différences de comportement entre la matière et l’antimatière.
Peut-être que d’ici 2032, lorsque s’approchera le centenaire de la découverte initiale de l’antimatière, nous aurons fait quelques progrès dans la compréhension de la place de cette curieuse matière miroir dans l’univers – et nous saurons même comment elle est liée à l’énigme de la matière noire.
Plus d’informations :
Hao Qiu, Observation de l’hypernoyau d’antimatière, Nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-024-07823-0. www.nature.com/articles/s41586-024-07823-0
Cet article est republié à partir de La Conversation sous licence Creative Commons. Lire la suite article original.