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Expérience de 1960 du CERN (désintégration de particules lambda - pas d'antimatière sur cette image). Copyright 1960-2020 CERN

Connaissance de l’antimatière : la science avance, pas à pas

La collaboration ALPHA au CERN a mis en évidence une similarité supplémentaire entre la matière ordinaire et sa jumelle antagoniste, l’antimatière. C’est un exploit technologique et un nouveau pas dans notre connaissance des lois fondamentales de l’univers, motivé par une question persistante de la physique moderne : « pourquoi seule la matière ordinaire a survécu ? ».

Fabriquer et piéger l’antimatière pour pouvoir mesurer ses propriétés

La mesure publiée par ALPHA tient un peu du tour de force. Alors qu’on n’a aucun problème pour trouver de l’hydrogène dans la nature, pour étudier l’antihydrogène, il faut d’abord le fabriquer et réussir à le piéger.

Ce n’est qu’en 1996 que les premiers atomes d’antihydrogène ont été créés au CERN – une première dans l’histoire de l’univers ! En effet, après le Big Bang, l’antihydrogène n’aurait pas eu le temps de se former selon le modèle cosmologique actuel : le Big Bang aurait créé autant de particules de matière que d’antimatière, mais les quarks et antiquarks (qui composent respectivement matière et antimatière) se seraient annihilés avant la formation d’antiprotons, qui auraient, avec des antiélectrons, pu former l’antihydrogène. La petite fraction résiduelle de quarks « ordinaires » qui a subsisté à cette grande annihilation serait en fait à l’origine de toute la matière visible de l’univers.

L’atome d’hydrogène et son jumeau de l’antimatière : l’antihydrogène. Les cercles rouge et vert représentent schématiquement les niveaux d’énergie des électrons et antiélectrons – ce sont ces niveaux que l’expérience ALPHA a sondés en détail. Yves Sacquin, Author provided

Pour étudier ce nouvel atome, un grand instrument, l’« Antiproton Decelerator » a été spécialement construit au CERN pour produire des antiprotons, les ralentir (un anti-accélérateur donc, qu’on appelle décélérateur) afin de pouvoir les « piéger » (c’est-à-dire les confiner dans le vide grâce à des combinaisons de champs électriques et magnétiques), les étudier et créer de l’antihydrogène. En 2010 la collaboration ALPHA a réussi à créer ses premiers antihydrogènes et à les conserver plus de 1000 secondes.

L’étape suivante était d’étudier en détail les niveaux d’énergie de l’antiélectron dans l’antihydrogène, et en particulier des sous-niveaux dus à des effets relativistes et d’autres plus fins encore liés aux « spins » (ou moments magnétiques) de l’antiélectron et de l’antiproton.

Une anecdote au passage : pour l’étude de cette structure électronique de l’antihydrogène, ALPHA a dû construire un nouveau piège. En effet, l’ancien ne laissait pas passer la lumière du laser utilisé pour exciter les atomes. Le nouveau piège devait inclure des hublots transparents à la lumière du laser. C’est grâce à un prix décerné par la fondation danoise Carlsberg que ce nouveau piège a pu être construit. Quand la soif fait avancer la science !

Une vue d’une partie de l’expérience ALPHA2, au CERN. CERN

Le résultat a été publié dans Nature en février 2020, détaillant les mesures faites en 2017-2018 et les longues analyses nécessaires pour arriver à la publication. Un laser dont la longueur d’onde, dans l’ultraviolet, correspond à la transition entre les deux premiers niveaux de l’hydrogène, a été construit pour exciter les antiélectrons de l’antihydrogène. En faisant varier la fréquence du laser par pas infimes (4 millionièmes de la fréquence), les physiciens ont pu observer comment réagissent les antihydrogènes : quand ils sont excités, la moitié d’entre eux disparaissent car en se désexcitant ils ont une chance sur deux d’être dans un état « non piégeable » et donc de s’annihiler sur les parois du piège. Il faut d’abord stocker environ 2000 antiatomes, ce qui prend plusieurs heures au rythme de l’approvisionnement en antiprotons ; puis on observe, en faisant varier la fréquence du laser, combien s’annihilent à chaque pas, et on recommence en visant un autre sous-niveau de l’atome.

L’analyse doit ensuite étudier toutes les sources d’incertitudes, en particulier celles sur l’énergie exacte des photons laser, mais aussi sur le champ magnétique de piégeage ou sur les méthodes statistiques employées. Une fraction de degré d’échauffement d’un appareil de contrôle suffit à fausser la mesure, si on n’en tient pas compte…

Le résultat est clair : l’antihydrogène est aussi sensible au « vide quantique » que l’est notre hydrogène habituel.

L’antimatière et le vide quantique : au cœur de l’expérience ALPHA

Dans l’atome le plus simple, l’hydrogène, composé d’un proton et d’un électron, l’électron peut se trouver sur différents « niveaux » d’énergie (correspondant à son énergie de liaison) ; mais il existe différents sous-niveaux dus à des effets secondaires, dont le plus fin est un effet très faible dû à l’interférence entre les particules et les antiparticules virtuelles du vide quantique et l’électron, appelé décalage de Lamb (Lambshift pour les physiciens).

On s’attendait à ce que ce décalage de Lamb existe aussi pour l’antihydrogène. En effet, c’est ce que prédit la théorie de l’électrodynamique quantique, une des théories les plus précises que l’on ait pour décrire l’univers et ses forces fondamentales. Par exemple, certains paramètres mesurés sont en accord avec les prédictions de cette théorie au-delà de la 15e décimale ! L’expérience ALPHA confirme donc cette prédiction. Ouf, la théorie de l’électrodynamique quantique ne fait pas de différence entre matière et antimatière… par contre, cela rend plus poignante encore la question de l’asymétrie que nous observons tous les jours entre matière et antimatière.

Matière, antimatière : d’où vient donc la dissymétrie fondamentale de l’univers ?

Le résultat obtenu confirme que le vide quantique influence également les particules d’antimatière. Ceci ne révolutionne pas la physique car ce résultat était attendu… mais il confirme que la Nature obéit dans ce cas-là à une profonde symétrie, alors même qu’un des grands problèmes de la cosmologie actuelle est qu’il y a une totale dissymétrie dans l’univers entre matière et antimatière : comment s’est formé ce petit excédent de matière qui a engendré notre univers ? Une piste est de chercher si une des forces fondamentales pouvait expliquer cette dissymétrie, sans succès jusqu’à présent, et ALPHA vient à nouveau de restreindre cette piste. Reste l’hypothèse que l’antimatière existe sans qu’on puisse la détecter, mais comment le prouver ?

Une autre remarque concerne l’avancée de la recherche fondamentale. En effet, cet article peut sembler hors de propos à l’heure de l’épidémie que nous vivons. Mais que seraient nos moyens de lutte contre ce fléau sans les travaux fondamentaux des fondateurs de la biologie, Pasteur ou Koch dans les premiers. On peut prendre le pari que dans quelques siècles la connaissance de l’antimatière aura des applications incontournables : cela a déjà commencé avec l’imagerie médicale par tomographie par émission de positons. Et il n’est pas inutile de rappeler que l’accès à la toile d’Internet, si important dans cette période, est un sous-produit de la recherche fondamentale faite au CERN, justement.

Le résultat présenté dans cet article est le fruit d’une lente progression de la connaissance de l’antimatière, commencée en 1930 avec Dirac et Anderson. Les résultats arrivent souvent lentement, mais une fois acquis ils servent de base pour aller plus loin. Le soutien à la recherche fondamentale doit être continu, chaque interruption met dix fois plus de temps à être rattrapée. C’est un programme ambitieux, et depuis plus de vingt ans, le CERN – et donc les états européens – soutient cette recherche sur l’antimatière.

Un nouvel anneau de décélération a commencé à fonctionner en 2018, et sera opérationnel en 2021, lorsque les installations du CERN reprendront leurs activités après deux ans d’interruption pour permettre l’introduction d’améliorations significatives dans toute la chaîne des accélérateurs – et décélérateurs. Les expériences étudiant l’antihydrogène se tournent maintenant vers une autre propriété de celle-ci qui n’a jamais été mesurée : sa gravitation. Avec encore une fois l’envie de vérifier si tout se passe comme pour la matière. Là encore les enjeux sont cosmologiques. Toute différence, même infime, obligerait à réviser la théorie actuelle de la relativité générale, rien que ça !

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