Des atomes d'antimatière piégés pendant mille secondes au CERN

Genève, le 5 juin 2011. Dans un article publié aujourd’hui en ligne par la revue Nature Physics, les chercheurs de l’expérience ALPHA, au CERN1, annoncent qu’ils sont parvenus à piéger des atomes d’antimatière pendant plus de 16 minutes, soit suffisamment longtemps pour commencer à étudier leurs propriétés en détail. L’expérience ALPHA s’inscrit dans un vaste programme de recherches menées au Décélérateur d’antiprotons (AD)2 du CERN, dans l’espoir de percer les mystères de l’une des substances les plus insaisissables de la nature.

L’univers dans lequel nous vivons semble entièrement constitué de matière. Pourtant, il aurait dû y avoir une quantité égale de matière et d’antimatière lors du Big Bang. La nature semble marquer une légère préférence pour la matière. C’est ce qui permet à notre univers et à tout ce qu’il contient d’exister. Pour étudier cette préférence pour la matière, l’une des possibilités est de comparer des atomes d’hydrogène avec leurs homologues d’antimatière. D’où l'importance de ce nouveau résultat.

« Nous pouvons maintenir les atomes d’antihydrogène piégés pendant mille secondes, explique le porte-parole de la collaboration ALPHA, Jeffrey Hangst, de l’université d’Aarhus. C’est suffisamment de temps pour pouvoir commencer à les étudier – même si nous ne pouvons pas en capturer beaucoup pour l’instant. »

L’article publié aujourd’hui fait état de l’étude de quelque 300 antiatomes piégés. Le piégeage de ces antiatomes permettra de cartographier précisément l’antihydrogène par spectroscopie laser ou micro-onde. L’antihydrogène pourra ainsi être comparé avec l’atome d’hydrogène, qui est l’un des systèmes les mieux connus en physique. Toute différence devrait apparaître au cours d’un examen minutieux. Le piégeage d’antiatomes pourrait aussi nous apporter une méthode complémentaire pour mesurer l'influence de la gravité sur l'antimatière, que l'expérience AeGIS va bientôt étudier avec de l’antihydrogène.

Un autre avantage important du piégeage de l’antihydrogène sur de longues périodes est qu’il laisse aux antiatomes le temps de retourner à leur état fondamental. Cela permettra à l’équipe d’ALPHA d’effectuer les mesures de précision nécessaires pour examiner une symétrie connue sous le nom de CPT. En physique, les symétries décrivent les processus tels qu’ils apparaissent lors de certaines transformations. C, par exemple, implique l’inversion des charges électriques des particules participant au processus. P peut être comparé à l’obtention de l’image réfléchie par un miroir, et T correspond à l’inversion de la flèche du temps.

À titre individuel, chacune de ces symétries est rompue – les processus n’ont pas toujours la même apparence. Selon CPT, un principe considéré comme scrupuleusement respecté par la nature, il ne devrait cependant pas être possible de distinguer entre une particule avançant à travers le temps dans notre univers et une antiparticule reculant à travers le temps dans un univers-miroir. La symétrie CPT exige que l’hydrogène et l’antihydrogène aient des spectres identiques.

« Toute trace de violation de la symétrie CPT nous obligerait à repenser sérieusement la manière dont nous comprenons la nature, explique Jeffrey Hangst. Cela dit, la moitié de l’Univers a disparu et il semble donc bien qu’une nouvelle conception soit à l’ordre du jour. »

Pour ALPHA, la prochaine étape consistera à commencer à prendre des mesures sur l'antihydrogène capturé, et nous devrions nous y atteler plus tard cette année. Tout d’abord, il s’agira d’illuminer les antiatomes piégés en utilisant des microondes pour déterminer s'ils absorbent exactement les mêmes fréquences (ou énergies) que leur cousins de matière.

« Si vous bombardez les atomes d’antihydrogène piégés avec précisément la bonne hyperfréquence, ils s’échapperont et nous pourrons détecter leur annihilation – nous pourrons même déceler l’annihilation d’un seul atome, explique Jeffrey Hangst. Cela nous fournirait le premier aperçu de la structure interne de l’antihydrogène, le no 1 du tableau périodique des anti-éléments.

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Note(s)

1. Le CERN, Organisation européenne pour la Recherche nucléaire, est le plus éminent laboratoire de recherche du monde en physique des particules. 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, Suisse. La Roumanie a le statut de candidat à l’adhésion. Israël est État membre associé en phase préalable à l’adhésion. La Commission européenne, les États-Unis d'Amérique, la Fédération de Russie, l'Inde, le Japon, la Turquie et l'UNESCO ont le statut d'observateur.

2. ALPHA est l'une des expériences menées à l'AD pour étudier l'antimatière au CERN. ATRAP, qui fait figure de pionnier dans les techniques de piégeage, explore également l'anti-hydrogène. ASACUSA a effectué des mesures d'une précision sans précédent de la masse de l'antiproton. À ce jour, ces mesures n'ont pas révélé de différence entre celle-ci et la masse du proton. ASACUSA élabore aussi des techniques complémentaires pour examiner l'antihydrogène. AeGIS étudie l'effet de la gravité sur les antiprotons et ACE explore l'utilisation potentielle des antiprotons pour le traitement du cancer.

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