Après plus de deux décennies de recherches et d’efforts,
les physiciens du CERN ont finalement réussi à reporter la
toute première mesure de la lumière émise par un atome
d’antimatière, révélant que l’antihydrogène est l’image miroir
exacte de l’hydrogène dit ordinaire.
Le résultat, qui confirme enfin ce qui a longtemps été prédit
par les lois de la physique, offre à présent de nouvelles
possibilités pour tester la théorie de la relativité d’Einstein et
pourrait nous aider à répondre à l’un des plus grands mystères de
la physique moderne : pourquoi y a-t-il tellement plus de matière
ordinaire que d’antimatière dans l’Univers ? « Cela représente
un point historique dans les efforts décennaux pour créer de
l’antimatière et comparer ses propriétés à celles de la
matière », explique le physicien théoricien Alan
Kostelecky, de l’Université d’Indiana, qui ne faisait pas partie de
l’équipe de recherche.
La loi de la physique prédit que pour chaque particule
de matière dite ordinaire, il existe une
antiparticule. Donc, pour chaque électron à charge négative, il y a un
positron à charge positive. Cela signifie que pour chaque
atome d’hydrogène, il existe un atome d’antihydrogène. Et tout
comme un atome d’hydrogène est constitué d’un électron lié à un
proton, un atome d’antihydrogène est constitué d’un anti-électron
(ou positron) lié à un antiproton. Si une antiparticule trouve
une particule normale, elles vont s’annihiler, libérant de
l’énergie sous forme de lumière.
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Mais ce fait laisse apparaître deux gros problèmes
: Le premier est que, comme il y a tellement de matière
ordinaire dans l’Univers, il est pratiquement impossible pour les
physiciens de trouver de l’antimatière dans la nature, car elle
sera anéantie avant même qu’ils aient eu la chance de commencer à
l’observer. Le deuxième problème est, pourquoi y a-t-il
beaucoup plus de matière que d’antimatière ? Si nos modèles de
physique actuels suggèrent qu’une quantité égale de particules et
d’antiparticules ont été produites lors du Big Bang, est-ce
que littéralement tout ce qui existe dans l’Univers n’aurait pas dû
s’annuler à ce moment-là ?
« Quelque chose s’est passé, une petite asymétrie qui a mené
une partie de la matière à survivre, et nous n’avons tout
simplement pas d’idée concrète pour expliquer cela pour le
moment », explique Jeffrey Hangst, un membre de l’équipe,
de l’expérience ALPHA au CERN, en Suisse.
Mais cela pourrait bientôt changer, car il s’agit de la toute
première fois que des scientifiques ont pu mesurer ce type de
lumière dégagée par un atome d’antihydrogène lorsqu’ils l’ont
frappé avec un laser, puis comparé avec la lumière dégagée par un
atome d’hydrogène. Il s’agit de la première fois que nous
arrivons à contrôler un atome d’antihydrogène assez longtemps pour
mesurer directement son comportement et le comparer à son
équivalent ordinaire, l’hydrogène.
Lorsque l’antimatière touche de la matière ordinaire, elle
s’anéantit en un éclair. Ces images montrent des atomes
d’antihydrogène s’annihilant lorsqu’ils entrent en contact avec de
la matière ordinaire. Crédits : CERN
« Utiliser un laser pour observer une transition dans
l’antihydrogène et le comparer à l’hydrogène pour voir s’ils
obéissent aux mêmes lois de la physique a toujours été un objectif
clé dans la recherche de l’antimatière », a déclaré
Hangst.
Comme il est impossible de trouver une particule
d’antihydrogène dans la nature (étant donné que l’hydrogène est
l’élément le plus abondant de l’Univers, il
annihile facilement les particules d’antihydrogène qui
pourraient subsister), les scientifiques doivent produire leurs
propres atomes d’antihydrogène.
Durant les 20 dernières années, l’équipe de l’expérience
ALPHA du CERN a travaillé pour comprendre comment produire
suffisamment de ces atomes d’antihydrogène pour avoir une
chance de travailler avec ces derniers. L’équipe a fini par réussir
à mettre au point une technique qui leur permet de créer environ
25’000 atomes d’antihydrogène toutes les 15 minutes, pour
finalement en piéger une quinzaine. Les méthodes précédentes
ne permettaient de piéger qu’environ 1,2 atomes d’antihydrogène
toutes les 15 minutes.
Ces particules piégées sont alors exposées à la lumière (des
lasers) afin de forcer leurs positrons à « sauter » d’un niveau
d’énergie inférieur à un niveau d’énergie supérieur. Lorsque les
positrons retournent au niveau d’énergie inférieur, la quantité de
lumière qui a été libérée peut être mesurée.
L’équipe a ensuite constaté que l’atome d’antihydrogène émettait
le même spectre de lumière que les atomes d’hydrogène ordinaires,
dans ce même test. « Nous avons longtemps pensé que
l’antimatière était un reflet exact de la matière, et nous
rassemblons des preuves pour démontrer que c’est effectivement
vrai », explique Tim Tharp, de l’expérience ALPHA du
CERN.
Le résultat de cette étude est cohérent avec le modèle standard
de la physique des particules, qui prédit que l’hydrogène et
l’antihydrogène auront des caractéristiques électroluminescentes
identiques. Mais à présent, les physiciens ont la possibilité de
tester encore plus d’émissions de spectres lumineux en utilisant
différents types de lasers.
Si tous les résultats sont identiques, alors la relativité
restreinte d’Eistein perdurera, comme l’explique Adrian Cho
dans la revue Nature :
« Expliquer en quoi exactement la relativité restreinte
nécessite une antimatière pour réfléchir la matière, implique
beaucoup de mathématiques. Mais en gros, si cette relation de
miroir n’était pas exacte, alors l’idée de base derrière la
relativité restreinte ne pourrait pas être correcte.
La relativité restreinte suppose qu’une seule chose unifiée,
appelée espace-temps, se divise différemment dans l’espace et le
temps pour des observateurs qui se déplacent l’un par rapport à
l’autre. Il suppose qu’aucun observateur ne peut dire qui se
déplace réellement et qui est stationnaire. Mais, cela ne peut pas
être correct si la matière et l’antimatière ne se reflètent pas.
»
Mais si la matière et l’antimatière ne se reflètent pas l’une
l’autre, si l’antimatière n’obéit pas aux mêmes lois de la physique
que la matière ordinaire, alors il sera confirmé que nos modèles
actuels concernant le Big Bang possèdent de gros défauts.
Quels que soient les résultats finaux de l’expérience, cela nous
donnera la possibilité de mieux comprendre pourquoi la matière a
échappé à un anéantissement total dans l’Univers, permettant à
toutes choses d’exister.
« Nous sommes vraiment ravis de pouvoir enfin dire que nous
l’avons fait. Pour nous, c’est vraiment important », a conclu
Hangst.
VIDÉO : L’expérience ALPHA du CERN observe le spectre
lumineux de l’antimatière pour la toute première fois
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
les neutrons, constitue les atomes. C’est donc l’un des composants
principaux de la matière baryonique. À ce titre, il revêt... [...]
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
les neutrons, constitue les atomes. C’est donc l’un des composants
principaux de la matière baryonique. À ce titre, il revêt... [...]