Une substance appelée antimatière est au cœur de l’un des plus grands mystères de l’univers. Nous savons que chaque particule a une compagne antimatière pratiquement identique à elle-même, mais avec une charge opposée. Lorsqu’une particule et son antiparticule se rencontrent, elles s’annihilent et disparaissent dans un éclat de lumière.
Notre compréhension actuelle de la physique prédit que des quantités égales de matière et d’antimatière auraient dû être créées lors de la formation de l’univers. Mais cela ne semble pas s’être produit car cela aurait entraîné l’annihilation immédiate de toutes les particules.
Au lieu de cela, il y a beaucoup de matière autour de nous, mais très peu d’antimatière, même au plus profond de l’espace. Cette énigme a conduit à une grande recherche pour trouver des failles dans la théorie ou expliquer autrement l’antimatière manquante.
L’une de ces approches s’est concentrée sur la gravité. Peut-être que l’antimatière se comporte différemment sous l’effet de la gravité, étant attirée dans la direction opposée à la matière ? Si tel est le cas, nous pourrions simplement nous trouver dans une partie de l’univers à partir de laquelle il est impossible d’observer l’antimatière.
Notre nouvelle étude, publiée dans Naturerévèle comment l’antimatière se comporte réellement sous l’influence de la gravité.
D’autres approches de la question de savoir pourquoi nous observons plus de matière que d’antimatière couvrent de nombreux sous-domaines de la physique. Ces gammes de l’astrophysique—visant à observer et prédire le comportement de l’antimatière dans le cosmos avec des expériences—à la physique des particules de haute énergie, étudier les processus et les particules fondamentales qui forment l’antimatière et gouverner leur vie.
Même si de légères différences ont été observées dans la durée de vie de certaines particules d’antimatière par rapport à leurs homologues de matière, ces résultats sont encore loin d’être une explication suffisante de l’asymétrie.
Les propriétés physiques de l’antihydrogène – un atome composé d’un électron d’antimatière (le positron) lié à un proton d’antimatière (l’antiproton) – devraient être exactement les mêmes que celles de l’hydrogène. En plus de posséder les mêmes propriétés chimiques que l’hydrogène, telles que la couleur et l’énergie, nous nous attendons également à ce que l’antihydrogène se comporte de la même manière dans un champ gravitationnel.
Le soi-disant « principe d’équivalence faible » dans la théorie de la relativité générale stipule que le mouvement des corps dans un champ gravitationnel est indépendant de leur composition. Cela signifie essentiellement que la composition d’une chose n’affecte pas la façon dont la gravité influence ses mouvements.
Cette prédiction a été testée avec une précision extrêmement élevée pour les forces gravitationnelles avec une variété de particules de matière, mais jamais directement sur le mouvement de l’antimatière.
Même avec les particules de matière, la gravité se démarque des autres théories physiques, dans la mesure où elle n’a pas encore été unifiée avec les théories qui décrivent l’antimatière. Toute différence observée avec la gravitation de l’antimatière pourrait aider à faire la lumière sur ces deux problèmes.
À ce jour, il n’existe aucune mesure directe du mouvement gravitationnel de l’antimatière. C’est assez difficile à étudier car la gravité est la force la plus faible.
Cela signifie qu’il est difficile de distinguer les effets de la gravité des autres influences externes. Cela n’a été qu’avec le progrès récents des techniques pour produire de l’antimatière stable (à vie longue), neutre et froide dont les mesures sont devenues réalisables.
Antimatière piégée
Nos travaux se sont déroulés au Expérience ALPHA-g au CERN, le plus grand laboratoire de physique des particules au monde, basé en Suisse, conçu pour tester les effets de la gravité en contenant de l’antihydrogène dans un piège vertical de deux mètres de haut. L’antihydrogène est créé dans le piège en combinant ses constituants antimatière : la position et l’antiproton.
Les positons sont facilement produits par certaines matières radioactives ; nous avons utilisé du sel de table radioactif. Cependant, pour créer des antiprotons froids, nous avons dû utiliser d’immenses accélérateurs de particules et une installation de décélération unique qui fonctionne au CERN.
Les deux ingrédients sont chargés électriquement et peuvent être piégés et stockés indépendamment sous forme d’antimatière dans des dispositifs spéciaux appelés pièges de Penning, constitués de champs électriques et magnétiques.
Les anti-atomes, cependant, ne sont pas confinés par les pièges de Penning, et nous avions donc un dispositif supplémentaire appelé « piège à bouteille magnétique », qui confinait les anti-atomes. Ce piège a été créé par les champs magnétiques générés par de nombreux aimants supraconducteurs.
Ceux-ci servaient à contrôler les résistances relatives des différents côtés de la bouteille. Notamment, si l’on affaiblissait le haut et le bas de la bouteille, les atomes pourraient sortir du piège sous l’influence de la gravité.
Nous avons compté combien d’antiatomes s’échappaient vers le haut et vers le bas en détectant les annihilations d’antimatière créées lorsque les antiatomes entraient en collision avec les particules de matière environnantes dans le piège. En comparant ces résultats avec des modèles informatiques détaillés de ce processus dans des atomes d’hydrogène normaux, nous avons pu déduire l’effet de la gravité sur les atomes d’antihydrogène.
Nos résultats sont les premiers issus de l’expérience ALPHA-g et la première mesure directe du mouvement de l’antimatière dans un champ gravitationnel. Ils montrent que la gravitation de l’antihydrogène est la même que celle de l’hydrogène, elle descend vers le bas plutôt que vers le haut, dans les limites d’incertitude de l’expérience.
Cela signifie que nos recherches ont exclu empiriquement un nombre de théories historiques impliquant ce qu’on appelle « l’anti-gravité », suggérant que l’antimatière graviterait exactement dans la direction opposée à celle de la matière normale.
La mesure actuelle constitue une étape importante vers l’objectif de l’expérience. Les travaux futurs de l’expérience ALPHA-g amélioreront sa précision grâce à une meilleure caractérisation et un meilleur contrôle d’aspects importants de l’expérience, tels que les pièges et les systèmes de refroidissement des atomes.
Il reste encore beaucoup de place pour trouver de nouveaux résultats susceptibles d’aider à expliquer l’asymétrie matière-antimatière. La physique est censée décrire la réalité observée, et il peut toujours y avoir des surprises dans la façon dont le monde fonctionne.
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