L’antimatière est à la fois une particule et une onde, une nouvelle expérience le confirme

positron onde particule
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La dualité onde-corpuscule est un des principes clé de la mécanique quantique, indiquant que les particules possèdent également une nature ondulatoire. Il a été maintes fois démontré expérimentalement. Cependant, compte tenu de la difficulté à manipuler et étudier rigoureusement l’antimatière, les scientifiques n’avaient pu jusqu’à maintenant effectuer le même type de vérification avec des antiparticules. C’est aujourd’hui chose faite grâce à une équipe de physiciens italo-suisse ayant démontré pour la première fois la nature ondulatoire des positrons.

C’est en 1923 que le physicien français Louis de Broglie introduit le concept de la dualité onde-corpuscule dans le cadre naissant de la mécanique quantique. En 1927, les physiciens Davison et Germer montrent que l’électron possède bien une nature ondulatoire ; un résultat confirmé par l’allemand C. Jonsson en 1961, dans le cadre d’une expérience utilisant les fentes de Young. Depuis, il est admis que les particules répondent à la dualité onde-corpuscule. Cependant, cela n’avait jamais été démontré avec leurs homologues d’antimatière.

Mais à présent, les physiciens ont montré au niveau d’un seul positon (l’antiparticule associée à l’électron, possédant une charge positive au lieu d’une charge négative) que l’antimatière montre elle aussi un comportement corpusculaire et ondulatoire. Pour montrer que les positrons sont aussi des ondes, les physiciens ont réalisé une version plus complexe de la fameuse expérience à double fente (fentes de Young), qui avait montré pour la première fois, en 1927, que les électrons étaient à la fois des particules et des ondes.

Fentes de Young et dualité onde-corpuscule de la matière

Dans l’expérience originale à double fente, les scientifiques ont envoyé un flux d’électrons à travers un plan comportant deux fentes, avec un détecteur de l’autre côté. Si les électrons n’avaient été que des particules, ils auraient formé un motif de deux lignes lumineuses sur le détecteur.

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Schéma expliquant l’expérience des fentes de Young avec des électrons. Crédits : Maxicours

Mais comme ils agissaient également comme des ondes, ils se « diffractaient » comme la lumière, formant ainsi un motif étalé de nombreuses lignes plus brillantes et plus atténuées. Lorsque deux ondes se chevauchent mais sont décalées l’une par rapport à l’autre, les pics et les creux des ondes s’annulent ou s’additionnent, créant un motif distinctif appelé interférence. Ces types d’expériences sont connus sous le nom d’interférométrie.

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Simulation des interférences obtenues après les fentes de Young : les deux points en bas de l’image représentent les sources de lumière. Crédits : Wikipédia

En 1976, les physiciens ont compris comment démontrer le même effet avec un électron à la fois, prouvant que même des électrons isolés sont des ondes pouvant interférer les unes avec les autres. Les physiciens ont montré que, lorsque des positrons frappent une surface réfléchissante, ils se comportent aussi comme des ondes.

Double fente et antimatière : le positron se comporte bien comme une onde

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Mais jusqu’à présent, les chercheurs n’avaient jamais effectué d’expériences à double fente montrant que chaque positron avait une nature ondulatoire. Ce type d’expérience offre aux physiciens l’occasion d’étudier le comportement de l’antimatière à un niveau plus précis que jamais. L’article, publié dans la revue Science Advances, explique comment une équipe de physiciens italiens et suisses a généré un faisceau de positrons basse énergie pouvant être utilisé pour réaliser la première version de l’expérience à double fente pour des positrons isolés.

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Schéma d’interférence des positrons obtenu au cours de l’expérience. Les motifs indiquent bien la nature ondulatoire de l’antimatière. Crédits : S. Sala et al. 2019

Lorsque les physiciens ont dirigé les positrons à travers une série plus complexe de fentes multiples, les positrons ont imprimé sur le détecteur un modèle caractéristique d’ondes, et non de particules individuelles.

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Les positrons ont été filtrés à partir d’une matière radioactive en décomposition. Le système utilisé pour réaliser cette expérience se nomme un interféromètre de Talbot-Lau. « Notre observation prouve l’origine quantique du positron et donc la nature ondulatoire des positrons » déclare Paola Scampoli, physicienne au Politecnico de Milan.

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Schéma de l’interféromètre de Talbot-Lau utilisé lors de l’expérience. Crédits : S. Sala et al. 2019

Les auteurs expliquent que ce travail ouvre la porte à un nouveau type d’expérience d’interférométrie. Ensuite, ils espèrent répondre aux questions sur la nature ondulatoire de matières exotiques plus complexes et utiliser ces résultats pour sonder la nature de la gravité à de très petites échelles.

Source : Science Advances

Un premier article sur le sujet, techniquement moins complet, avait été publié ici en 2018 déjà, mais l’étude n’avait pas encore été validée par les pairs.

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