Après deux décennies d’efforts, des physiciens du CERN ont rapporté 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 ordinaire.
Ce résultat, qui confirme enfin ce que les lois de la physique prévoient depuis longtemps, ouvre une nouvelle voie pour tester la théorie de la relativité restreinte d’Einstein et pourrait nous aider à résoudre l’un des plus grands mystères de la physique moderne : pourquoi y a-t-il tant de matière ordinaire que d’antimatière dans l’Univers ?
“Cela représente un point historique dans les efforts déployés depuis des décennies pour créer de l’antimatière et comparer ses propriétés à celles de la matière”, a déclaré à NPR le physicien théoricien Alan Kostelecky de l’université de l’Indiana, qui n’a pas participé à l’étude.
Si vous n’êtes pas familier avec le problème “Où est l’antimatière ?” en physique, voici quelques informations de base.
La loi de la physique prévoit que pour chaque particule de matière ordinaire, il existe une antiparticule. Ainsi, pour chaque électron chargé négativement, il y a un positron chargé positivement.
Cela signifie que pour chaque atome d’hydrogène normal, il y a 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 antiélectron (ou positron) lié à un antiproton.
Si une antiparticule rencontre par hasard une particule régulière, elles s’annulent mutuellement, libérant de l’énergie sous forme de lumière.
Ce fait crée deux problèmes assez importants. Le premier est qu’en raison de la grande quantité de matière ordinaire dans l’Univers, il est pratiquement impossible pour les physiciens de trouver de l’antimatière dans la nature, car elle sera annihilée avant même qu’ils aient la chance de commencer à chercher.
Le deuxième problème est de savoir pourquoi il y a tant de matière ordinaire que d’antimatière. Si nos modèles physiques actuels suggèrent qu’une quantité égale de particules ordinaires et d’antiparticules a été produite par le Big Bang, tout dans l’Univers ne devrait-il pas s’annuler ?
“Il s’est passé quelque chose, une petite asymétrie qui a permis à une partie de la matière de survivre, et nous n’avons tout simplement pas de bonne idée pour expliquer cela à l’heure actuelle”, explique l’un des membres de l’équipe, Jeffrey Hangst, de l’expérience ALPHA au CERN, en Suisse.
Tout cela est peut-être sur le point de changer, car pour la première fois, les scientifiques ont pu mesurer le type de lumière émise par un atome d’antihydrogène lorsqu’il est frappé par un laser, et le comparer à la lumière émise par un atome d’hydrogène normal.
Cela peut sembler peu, mais c’est la première fois que nous sommes en mesure de contrôler un atome d’antihydrogène suffisamment longtemps pour mesurer directement son comportement et le comparer à celui de son homologue ordinaire.
“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 de la recherche sur l’antimatière”, a déclaré M. Hangst dans un communiqué de presse.
Comme il est impossible de trouver une particule d’antihydrogène dans la nature – l’hydrogène étant l’élément le plus abondant de l’Univers, il annule facilement tout antihydrogène caché – les scientifiques doivent produire leurs propres atomes d’antihydrogène.
Au cours des 20 dernières années, l’équipe ALPHA a cherché comment produire suffisamment d’atomes d’antihydrogène pour avoir la chance de travailler avec eux. Elle a finalement mis au point une technique qui lui permet de créer environ 25 000 atomes d’antihydrogène toutes les 15 minutes et d’en piéger environ 14.
Les méthodes précédentes ne permettaient de piéger que 1,2 atome d’antihydrogène par quart d’heure.
Ces particules piégées sont ensuite soumises à une lumière laser qui force leurs positrons à “sauter” d’un niveau d’énergie inférieur à un niveau supérieur. Lorsque les positrons retournent au niveau d’énergie inférieur, la quantité de lumière libérée peut être mesurée.
L’équipe a constaté que l’atome d’antihydrogène émettait exactement le même spectre lumineux que les atomes d’hydrogène ordinaires soumis au même test.
“On pense depuis longtemps que l’antimatière est le reflet exact de la matière, et nous rassemblons des preuves qui montrent que c’est bien le cas”, a déclaré Tim Tharp d’ALPHA à Ryan F. Mandelbaum de Gizmodo.
Ce résultat est conforme au modèle standard de la physique des particules, qui prévoit que l’hydrogène et l’antihydrogène auront des caractéristiques d’émission de lumière identiques, mais les physiciens ont maintenant la possibilité de tester encore plus de spectres d’émission en utilisant différents types de lasers.
S’ils s’avèrent tous identiques, la relativité restreinte d’Einstein vit un jour de plus, comme l’explique Adrian Cho pour Nature :
“Expliquer exactement pourquoi la relativité restreinte exige que l’antimatière soit le miroir de la matière implique beaucoup de mathématiques. Mais en un mot, si cette relation miroir n’était pas exacte, alors l’idée de base de la relativité restreinte ne pourrait pas être exactement correcte.
La relativité restreinte suppose qu’une seule chose unifiée appelée espace-temps se divise différemment en espace et en temps pour des observateurs qui se déplacent l’un par rapport à l’autre. Elle postule qu’aucun observateur ne peut dire qui est réellement en mouvement et qui est immobile. Mais, cela ne peut pas être tout à fait exact si la matière et l’antimatière ne se reflètent pas l’une dans l’autre.”
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 – nos modèles du Big Bang seront défectueux
Et cela nous donne l’occasion de tout repenser et de comprendre une fois pour toutes pourquoi la matière a échappé à l’annihilation totale dans l’Univers et nous a permis, à nous et à tout le reste, d’exister.
Nous allons évidemment un peu vite en besogne, mais voilà le genre de possibilités que cette expérience a ouvertes, et c’est vraiment passionnant.
“Nous sommes vraiment ravis de pouvoir enfin dire que nous l’avons fait”, a déclaré Hangst à NPR. “Pour nous, c’est une très grosse affaire”.
Les recherches ont été publiées dans la revue Nature.