Une mystérieuse antimatière observée tombant pour la première fois

Pour la première fois, des scientifiques ont observé des particules d’antimatière, les mystérieuses jumelles de la matière visible qui nous entoure, tomber vers le bas sous l’effet de la gravité, a annoncé mercredi le laboratoire de physique européen CERN.

L’expérience a été saluée comme une « étape importante », bien que la plupart des physiciens aient anticipé le résultat, et il avait été prédit par la théorie de la relativité d’Einstein de 1915.

Cela exclut définitivement que la gravité repousse l’antimatière vers le haut – une découverte qui aurait bouleversé notre compréhension fondamentale de l’univers.

Il y a environ 13,8 milliards d’années, le Big Bang aurait produit une quantité égale de matière (dont est constitué tout ce que vous pouvez voir) et d’antimatière, sa contrepartie égale mais opposée.

Cependant, il n’y a pratiquement pas d’antimatière dans l’univers, ce qui a suscité l’un des plus grands mystères de la physique : qu’est-il arrivé à toute l’antimatière ?

« Il manque la moitié de l’univers », a déclaré Jeffrey Hangst, membre de la collaboration ALPHA du CERN à Genève qui a mené la nouvelle expérience.

« En principe, nous pourrions construire un univers – tout ce que nous connaissons – avec uniquement de l’antimatière, et cela fonctionnerait exactement de la même manière », a-t-il déclaré à l’.

Les physiciens pensent que la matière et l’antimatière se sont rencontrées et se sont presque entièrement détruites après le Big Bang.

Pourtant, la matière représente désormais près de cinq pour cent de l’univers – le reste étant constitué de matière noire et d’énergie noire encore moins bien comprises – tandis que l’antimatière a disparu.

La pomme de Newton s’envole ?

L’une des principales questions en suspens concernant l’antimatière était de savoir si la gravité la faisait tomber de la même manière que la matière normale.

Alors que la plupart des physiciens pensaient que c’était le cas, quelques-uns avaient émis l’hypothèse du contraire.

Une pomme qui tombe a inspiré les travaux d’Isaac Newton sur la gravité, mais si cette pomme avait été faite d’antimatière, se serait-elle envolée dans le ciel ?

Et si la gravité repoussait effectivement l’antimatière, cela aurait pu signifier que des impossibilités telles qu’une machine à mouvement perpétuel étaient possibles.

« Alors pourquoi ne pas en laisser tomber et voir ce qui se passe ? » dit Hangst.

Il a comparé l’expérience à la célèbre démonstration de Galilée, bien que probablement apocryphe, du XVIe siècle, selon laquelle deux boules de masse différente larguées de la tour penchée de Pise tomberaient à la même vitesse.

Mais cette expérience, fruit de 30 ans de travail sur l’antimatière au CERN, était « un peu plus complexe » que celle de Galilée, a déclaré Hangst.

L’un des problèmes était que l’antimatière existe à peine en dehors des particules rares à vie courte dans l’espace.

Cependant, en 1996, les scientifiques du CERN ont produit les premiers atomes d’antimatière, l’antihydrogène.

Un autre défi était que, comme la matière et l’antimatière ont une charge électrique opposée, dès qu’elles se rencontrent, elles se détruisent dans un violent éclair d’énergie que les scientifiques appellent l’annihilation.

Un piège magnétique

Pour étudier l’effet de la gravité sur l’antimatière, l’équipe ALPHA a construit une bouteille de 25 centimètres de long placée à son extrémité, avec des aimants en haut et en bas.

À la fin de l’année dernière, les scientifiques ont placé une centaine d’atomes d’antihydrogène très froids dans ce « piège magnétique » appelé ALPHA-g.

En réduisant la puissance des deux aimants, les particules d’antihydrogène – qui rebondissaient à une vitesse de 100 mètres par seconde – ont pu s’échapper par les deux extrémités de la bouteille.

Les scientifiques ont ensuite simplement compté la quantité d’antimatière anéantie à chaque extrémité de la bouteille.

Environ 80 % de l’antihydrogène est sorti du fond, ce qui est similaire à la façon dont les atomes d’hydrogène rebondissants se comporteraient s’ils étaient dans la bouteille.

Ce résultat, publié dans la revue Naturemontre que la gravité fait tomber l’antimatière vers le bas, comme le prédit la théorie de la relativité d’Einstein de 1915.

Dans plus d’une douzaine d’expériences, les scientifiques du CERN ont varié la force des aimants, observant l’effet de la gravité sur l’antimatière à des rythmes différents.

Bien que l’expérience exclue que la gravité fasse monter l’antihydrogène, Hangst a souligné qu’elle ne prouvait pas que l’antimatière se comporte exactement de la même manière que la matière normale.

« C’est notre prochaine tâche », a-t-il déclaré.

Marco Gersabeck, un physicien qui travaille au CERN mais n’a pas participé à la recherche ALPHA, a déclaré qu’il s’agissait d’une « étape importante ».

Mais cela ne marque « que le début d’une ère » de mesures plus précises de l’effet de la gravité sur l’antimatière, a-t-il déclaré à l’.

D’autres tentatives visant à mieux comprendre l’antimatière incluent l’utilisation du Grand collisionneur de hadrons du CERN pour étudier d’étranges particules appelées quarks de beauté.

Et il y a une expérience à bord de la Station spatiale internationale qui tente de capter l’antimatière dans les rayons cosmiques.

Mais pour l’instant, la raison exacte pour laquelle l’univers est inondé de matière mais dépourvu d’antimatière « reste un mystère », a déclaré le physicien Harry Cliff.

Puisque les deux auraient dû s’annihiler complètement dans l’univers primitif, « le fait que nous existons suggère qu’il se passe quelque chose que nous ne comprenons pas », a-t-il ajouté.

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