Une expérience historique au CERN pourrait aider à expliquer pourquoi l'antimatière semble avoir perdu du terrain au tout début de l'Univers. Si vous laissez tomber de l'antimatière, est-ce qu'elle tombe ou monte ? Dans une expérience de laboratoire unique, des chercheurs ont observé la trajectoire descendante d’un seul atome d’antihydrogène, apportant une réponse claire :L'antimatière tombe vers le bas.

Cette image montre des atomes d'antihydrogène tombant et s'annihilant à l'intérieur d'un piège magnétique faisant partie de l'expérience ALPHA-g du CERN, conçue pour mesurer l'effet de la gravité sur l'antimatière. Source de l'image : Fondation nationale de la science

Tout en confirmant l’attraction gravitationnelle de l’antimatière et de la matière ordinaire, cette découverte exclut également la répulsion gravitationnelle comme raison pour laquelle l’antimatière est largement absente de l’univers observable.

Des chercheurs de la collaboration ALPHA (International Antihydrogen Laser Physics Facility) du CERN en Suisse ont publié aujourd'hui leurs résultats dans la revue Nature.

"Le succès de la collaboration ALPHA démontre l'importance du travail d'équipe à travers les continents et les communautés scientifiques", a déclaré Vyacheslav "Slava" Lukin, directeur de programme à la Division de physique de la National Science Foundation. "Comprendre les propriétés de l'antimatière nous aide non seulement à comprendre comment l'univers s'est formé, mais permet également des innovations sans précédent, telles que la tomographie par émission de positons (TEP), qui sauve de nombreuses vies en appliquant nos connaissances sur l'antimatière pour détecter les tumeurs cancéreuses dans le corps."

La collaboration ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Facility) est un groupe international du CERN qui utilise des atomes d'antihydrogène pour comprendre les symétries fondamentales entre la matière et l'antimatière. Des chercheurs ont annoncé les résultats révolutionnaires d’une expérience visant à comprendre les effets de la gravité sur l’antimatière. Source de l'image : Fondation nationale de la science

L'insaisissable jumeau mutable de la matière

À l’exception des moteurs à distorsion alimentés par l’antimatière et des torpilles à photons imaginées dans Star Trek, l’antimatière est entièrement réelle mais mystérieusement rare.

"La théorie de la relativité générale d'Einstein stipule que l'antimatière devrait se comporter exactement comme la matière", a déclaré Jonathan Wurtele, physicien des plasmas à l'Université de Californie à Berkeley et membre de la collaboration ALPHA. "De nombreuses mesures indirectes montrent que la gravité interagit avec l'antimatière comme prévu." "Mais jusqu'aux résultats d'aujourd'hui, personne n'avait fait d'observations directes pour exclure la possibilité que l'antihydrogène monte dans le champ gravitationnel au lieu de le descendre."

Notre corps, la Terre et presque tout ce que les scientifiques connaissent dans l'univers sont constitués en grande majorité de matière ordinaire composée de protons, de neutrons et d'électrons, tels que des atomes d'oxygène, de carbone, de fer et d'autres éléments du tableau périodique.

L’antimatière, quant à elle, est le frère jumeau de la matière ordinaire, bien qu’elle possède des propriétés opposées. Par exemple, les antiprotons ont une charge négative, tandis que les protons ont une charge positive. Les antiélectrons (également appelés positrons) sont chargés positivement, tandis que les électrons sont chargés négativement.

Kevin M. Jones est chef de projet à la division de physique de la National Science Foundation et professeur émérite de physique William Edward McElfresh au Williams College. Il a brièvement présenté ce qu'est l'antimatière et la valeur globale de l'étude de l'antimatière. Source : Fondation nationale de la science

Mais ce qui est peut-être le plus difficile pour les expérimentateurs, "l'antimatière explose dès qu'elle entre en contact avec la matière", a déclaré Joel Fajans, physicien des plasmas à l'Université de Californie à Berkeley et membre de la collaboration ALPHA.

La masse combinée de matière et d’antimatière est complètement convertie en énergie dans une réaction si intense que les scientifiques parlent d’annihilation.

Pour une masse donnée, cette annihilation constitue la forme de libération d’énergie la plus intensive que nous connaissions. Cependant, la quantité d'antimatière utilisée dans l'expérience ALPHA est si petite que seuls des détecteurs sensibles peuvent détecter l'énergie générée par l'annihilation antimatière/matière. Nous devons donc manipuler l’antimatière avec beaucoup de précautions, sinon nous la perdrons.

Image conceptuelle des atomes d'antihydrogène dans le piège magnétique du dispositif ALPHA-g. Lorsque l’intensité du champ magnétique en haut et en bas du piège s’affaiblit, les atomes d’antihydrogène s’échappent, entrent en contact avec les parois du piège et s’annihilent. La majeure partie de l’annihilation se produit sous la chambre, ce qui suggère que la gravité tire les atomes d’antihydrogène vers le bas. Les lignes de champ magnétique tournantes dans l’animation représentent les effets invisibles des champs magnétiques sur les atomes d’antihydrogène. Dans les expériences réelles, le champ magnétique ne tourne pas. Source : Keyi « Onyx » Li/Fondation nationale des sciences

Lancer des « bombes antimatière »"

"D'une manière générale, nous produisons de l'antimatière et nous menons une expérience de type Tour Penchée de Pise", a déclaré Votel. Il faisait référence à un ancêtre intellectuel plus simple de leurs expériences : l'expérience de Galilée du XVIe siècle (peut-être allégoriquement) qui démontrait que deux objets de taille similaire mais de masses différentes lâchés en même temps avaient la même accélération gravitationnelle. "Nous mettons l'antimatière en mouvement et voyons si elle monte ou descend."

Dans l’expérience ALPHA, l’antihydrogène gazeux est contenu dans une grande chambre à vide cylindrique dotée d’un piège magnétique variable appelé ALPHA-g. Les scientifiques ont réduit la force des champs magnétiques en haut et en bas du piège jusqu'à ce que les atomes d'antihydrogène puissent s'échapper et que les effets gravitationnels relativement faibles deviennent évidents.

Lorsque chaque atome d'antihydrogène s'échappe du piège magnétique, il heurte la paroi de la cavité au-dessus ou au-dessous du piège et est annihilé, permettant aux scientifiques de le détecter et de le compter.

Les chercheurs ont répété l’expérience une douzaine de fois, en faisant varier l’intensité du champ magnétique en haut et en bas du piège pour éliminer d’éventuelles erreurs. Ils ont observé que lorsque le champ magnétique affaibli était précisément équilibré en haut et en bas, environ 80 % des atomes d’antihydrogène étaient annihilés sous le piège – un résultat cohérent avec le comportement des nuages ​​d’hydrogène ordinaires dans les mêmes conditions.

Par conséquent, la gravité fait tomber les atomes d’antihydrogène vers le bas.

Le mystère matière/antimatière

Bien qu’il n’existe pas beaucoup de sources d’antimatière – comme les positons émis lors de la désintégration du potassium, et même l’antimatière présente dans les bananes – les scientifiques ne voient pas beaucoup d’antimatière dans l’univers. Cependant, les lois de la physique prédisent que l’antimatière devrait exister en quantité à peu près équivalente à celle de la matière ordinaire. Les scientifiques appellent cette énigme le problème de la renaissance.

Une explication possible est que l'antimatière a été repoussée gravitationnellement par la matière ordinaire lors du Big Bang, mais les nouvelles découvertes suggèrent que cette théorie ne semble plus crédible.

"Nous avons exclu la possibilité que l'antimatière soit repoussée par gravitation plutôt qu'attirée", a déclaré Votel. "Cela ne veut pas dire qu'il n'y a aucune différence dans l'attraction gravitationnelle exercée par l'antimatière", a-t-il ajouté. Seules des mesures plus précises peuvent le prouver.

Les chercheurs de la collaboration ALPHA continueront d’explorer la nature de l’antihydrogène. En plus d’améliorer les mesures des effets gravitationnels, ils utilisent la spectroscopie pour étudier la façon dont l’antihydrogène interagit avec le rayonnement électromagnétique.

Ce serait révolutionnaire si l’antihydrogène était différent de l’hydrogène d’une manière ou d’une autre, car les lois physiques de la mécanique quantique et de la gravité stipulent toutes deux que l’antihydrogène devrait se comporter de la même manière. Cependant, vous ne le saurez que si vous faites l’expérience.