Les chercheurs de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) sont, pour la première fois, parvenus à piéger de l’antimatière en « bouteille » et à la transporter en camion, dans le cadre d’un test en circuit autour du site, une étape qu’ils considèrent comme historique pour la physique. Au total, 92 antiprotons ont pu être transportés grâce à un système de confinement par champs magnétiques et de cryogénie, sur un trajet de 30 minutes autour du site du laboratoire.
Les antiparticules sont semblables aux particules ordinaires composant la matière, mais avec des charges électriques et des moments magnétiques inversés. Les particules et les antiparticules s’annihilent mutuellement lorsqu’elles entrent en contact et se transforment en grandes quantités d’énergie. L’annihilation d’un seul gramme d’antimatière libérerait autant d’énergie qu’une bombe nucléaire.
Les physiciens supposent que la matière et l’antimatière ont été produites en quantités équivalentes après le Big Bang, mais leur auto-annihilation aurait alors laissé l’Univers quasiment vide. Aujourd’hui, la matière domine largement, tandis que l’antimatière n’existe qu’en infime quantité, sans que l’on sache précisément pourquoi. Les scientifiques soupçonnent l’existence de différences fondamentales à l’origine de cette disparité, une hypothèse qu’ils cherchent à confirmer depuis des décennies.
Étudier et manipuler de l’antimatière en laboratoire demeure toutefois extrêmement difficile en raison de cette auto-annihilation. Le CERN est actuellement le seul centre de recherche au monde capable d’en produire des quantités utilisables et, désormais, le seul à pouvoir en transporter d’un laboratoire à un autre, dans le cadre de l’expérience BASE-STEP.
« C’est une première pour l’humanité, un moment historique », a déclaré Stefan Ulmer, physicien à l’Université Heinrich Heine de Düsseldorf, en Allemagne, et porte-parole de BASE, à la revue Nature. « Nous avons ouvert une grande bouteille de champagne et invité toute la communauté scientifique spécialisée dans l’antimatière à fêter ça avec nous aujourd’hui [le 24 mars dernier]. »
Un système de transport résistant aux chocs et aux vibrations
Pour produire de l’antimatière, le laboratoire spécialisé du CERN fait entrer en collision des faisceaux de protons avec un métal à haute densité. Des champs magnétiques et électriques sont ensuite utilisés pour décélérer et capturer les antiprotons formés. Deux décélérateurs successifs, le Décélérateur d’Antiprotons (AD) et l’Anneau d’Antiprotons à très basse énergie (ELENA), permettent d’obtenir des particules de faible énergie, plus faciles à stocker et à étudier.
Le consortium BASE a été fondé pour étudier l’antimatière en mesurant avec précision les propriétés des antiprotons, mais il se heurtait à un obstacle majeur : les dispositifs BASE génèrent des fluctuations du champ magnétique qui limitent la précision des mesures. Ces fluctuations avoisinent le milliardième de tesla, soit 20 000 fois plus faibles que le champ magnétique terrestre, et indétectables à l’extérieur du bâtiment.
« Cependant, la précision des mesures effectuées à BASE est telle que, pour une compréhension encore plus fine des propriétés fondamentales des antiprotons, il sera nécessaire de déplacer l’expérience hors du bâtiment », précise Ulmer dans un communiqué du CERN.
Les chercheurs ont alors conçu une bouteille spéciale, le dispositif BASE-STEP, permettant de transporter les antiparticules sans qu’elles n’entrent en contact avec les parois constituées de matière. Pour ce faire, le dispositif comprend un système d’aimants supraconducteurs et un système de cryogénisation à hélium liquide capable d’atteindre −269 °C. Des réserves d’énergie et une chambre à vide piègent les antiparticules à l’aide de champs magnétiques et électriques. L’ensemble est conçu pour résister aux chocs et aux vibrations liés au transport.
L’ensemble du dispositif de transport pèse environ une tonne, ce qui est bien plus compact que le dispositif BASE, ou tout autre système existant. Des détecteurs ont également été intégrés afin de suivre l’état des antiprotons une fois dans le véhicule de transport. Au total, 92 antiprotons ont pu être confinés dans le contenant et transportés à l’arrière d’un camion sur plus de 8 kilomètres autour du site, avec une vitesse maximale de 42 kilomètres par heure.
« Avec BASE-STEP, notre objectif est de piéger les antiprotons et de les acheminer vers nos laboratoires de précision, situés dans un espace dédié au CERN, à l’Université de Hanovre (HHU), à l’Université Leibniz de Hanovre et peut-être dans d’autres laboratoires capables d’effectuer des mesures d’antiprotons de très haute précision, ce qui est malheureusement impossible dans l’usine à antimatière », explique Christian Smorra, responsable de BASE-STEP, dans le communiqué.
« Nous avons validé la faisabilité du projet avec des protons l’année dernière, mais ce que nous avons réalisé aujourd’hui avec les antiprotons représente un progrès considérable vers notre objectif. »
La prochaine étape du projet consistera à acheminer la cargaison d’antiprotons vers un autre bâtiment et à s’entraîner à l’extraire et le transférer dans un autre piège. L’équipe prévoit, à terme, de les transporter jusqu’à la HHU, à 700 kilomètres du CERN, au sein d’un nouveau site expérimental spécialement dédié et exempt de fluctuations magnétiques. Cette étape pourrait être réalisée aux alentours de 2029.
Faisabilité du projet :