Une technique novatrice pour étudier l’antimatière

Ces résultats ont été publiés lundi dans la revue Physical Review Letters.

L’antimatière, ou plutôt son absence, demeure l’une des plus grandes énigmes de la science. La matière et l’antimatière sont identiques, à part leurs charges qui sont opposées, et elles s’annihilent au contact l’une de l’autre. Lors du Big Bang, matière et antimatière devraient avoir été produites en quantités égales. Or nous savons que notre monde est constitué de matière : l’antimatière semble avoir disparu. Pour découvrir ce qu’il est advenu de l’antimatière, les scientifiques utilisent diverses méthodes visant à déterminer si une infime différence entre les propriétés de la matière et celles de l’antimatière pourrait apporter un début d’explication.

L’une de ces méthodes consiste à prendre l’un des systèmes les mieux connus de la physique, l’atome d’hydrogène, constitué d’un proton et d’un électron, et à vérifier si son homologue d’antimatière, l’antihydrogène, constitué d’un antiproton et d’un positon, se comporte de la même manière. La difficulté est de créer des atomes d’antihydrogène et de les maintenir hors de portée de la matière assez longtemps pour pouvoir les étudier. Le piège à étranglement d’ASACUSA utilise une combinaison de champs magnétiques pour rassembler les antiprotons et les positons de façon à former des atomes d’antihydrogène ; il leur fait parcourir ensuite un tube à vide où ils peuvent être étudiés en vol. Jusqu’ici, seul un petit nombre d’atomes d’antihydrogène a été produit de cette façon, mais le but ultime de l’expérience est d’en produire en quantité suffisante pour qu’on puisse étudier leur comportement de manière approfondie à l’aide de micro-ondes.

La technique d’ASACUSA est complémentaire de celle de l’expérience ALPHA, dont les récents résultats ont été publiés dans la revue Nature le 17 novembre. Les méthodes utilisées pour créer de l’antihydrogène s’appuient sur des techniques mises au point par une troisième expérience menée au CERN, ATRAP, qui a été à la pointe des techniques de piègeage dans les années 1990 et qui travaille également sur des méthodes pour piéger l’antihydrogène.

« Avec ces différentes méthodes servant à produire de l’antihydrogène en vue de l’étudier, l’antimatière ne va pas tarder à nous révéler ses secrets », a déclaré Yasunori Yamazaki, du centre de recherche japonais RIKEN, l’un des chefs d’équipe de la collaboration ASACUSA. « Nous avons encore du chemin à faire, mais nous sommes heureux de voir comme cette technique fonctionne bien. »

Le CERN est le seul laboratoire au monde à exploiter une installation spécialisée dans les antiprotons de basse énergie. En 1995 déjà, c’est au CERN qu’avaient été produits les neufs premiers atomes d’antihydrogène. Puis, en 2002, les expériences ATHENA et ATRAP ont démontré qu’il était désormais possible de créer de l’antihydrogène en grandes quantités, ouvrant ainsi la voie à la réalisation d’études approfondies dans ce domaine. Aujourd’hui, les expériences à antihydrogène du CERN semblent bien parties pour percer les mystères de cet insaisissable atome.

* ASACUSA est une expérience auprès du Décélérateur d’antiprotons (AD) du CERN, où sont étudiées les propriétés de l’antimatière. Jusqu’à présent, l’axe principal du programme de recherche d’ASACUSA a été la création et l’étude d’atomes exotiques, les atomes d’hélium antiprotonique. L’hélium que nous connaissons possède deux électrons en orbite autour d’un noyau. Dans un atome d’hélium antiprotonique, un électron a été remplacé par un antiproton. Étudier des atomes de ce genre a permis à ASACUSA de mesurer la masse des antiprotons avec une très grande précision. Au total, cinq expériences utilisent les faisceaux d’antiproton de basse énergie du Décélérateur d’antiprotons. ALPHA et ATRAP se consacrent à l’étude des atomes d’antihydrogène. L’expérience AEgIS, en cours de construction, étudiera l’influence de la gravité sur l’antimatière, tandis que l’expérience ACE vise à évaluer l’efficacité des antiprotons en tant que traitement éventuel de certaines formes de cancer.

** Le CERN, Organisation européenne pour la recherche nucléaire, est le plus éminent laboratoire de recherche en physique des particules du monde. Il a son siège à Genève. Ses États membres actuels sont les suivants: Allemagne, Autriche, Belgique, Bulgarie, Danemark, Espagne, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Italie, Norvège, Pays-Bas, Pologne, Portugal, République slovaque, République tchèque, Royaume-Uni, Suède et Suisse. La Commission européenne, les États-Unis d’Amérique, la Fédération de Russie, l’Inde, Israël, le Japon, la Turquie et l’UNESCO ont le statut d’observateur.