De l’antimatière prise au piège pendant un quart d’heure !

Des physiciens du CERN (réunis dans ce que l’on appelle la collaboration ALPHA) ont réussi à confiner des atomes d’anti-hydrogène pendant 16 minutes. Jusqu’ici les mêmes chercheurs n’avaient réussi à conserver l’anti-hydrogène que durant quelques fractions de secondes. C’est un pas extraordinaire vers l’étude et la compréhension de l’antimatière.

 

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Le modèle standard de la physique des particules prédit l’existence d’une antimatière.
L’antimatière et la matière ont la même masse, mais une charge électrique opposée. À chaque particule élémentaire de matière correspond une antiparticule; par exemple, l’électron, de charge négative, a pour antiparticule le positron, de charge positive. Lorsqu’une particule et son antiparticule se rencontrent, elles s’annihilent en émettant des photons : le processus d’annihilation transforme leur masse en énergie. On avait jusqu’ici produit dans les accélérateurs de laboratoires comme le CERN des antiparticules, mais en obtenant toujours en même temps les particules correspondantes et donc leur rapide annihilation.
En théorie, le Big Bang, à l’origine de l’univers, a dû produire des quantités égales de matière et d’antimatière. L’antimatière manque donc dans notre univers.

 

Vue en éclaté du piège dans lequel on produit et confine les anti-hydrogènes.
Par souci de clarté, on n’a pas représenté le bobinage à huit pôles
qui assure le confinement magnétique radial, celui axial est assuré
par les deux bobines miroirs. Les électrodes assurent le confinement électrostatique.
L’ensemble est enfermé dans un cryostat, vase isolant qui isole thermiquement le piège refroidi.
Crédit Nature Physics.

Un atome d’hydrogène appartenant à la matière ordinaire, celle de notre univers, est formé d’un électron lié à un proton. Dans l’atome d’anti-hydrogène, l’électron est remplacé par son antiparticule, le positron, et il est lié à un antiproton, antiparticule du proton.

Des accélérateurs de particules tells que ceux du CERN pouvait jusqu’ici produire des particules d’antimatière, mais on avait d’immenses difficultés à les étudier car elles s’annihilaient aussitôt au contact des parois constituées de matière ordinaire.

Les chercheurs vont ainsi pouvoir sonder les propriétés de l’antimatière. La spectroscopie dans le domaine optique et celui des hyperfréquences permettra de savoir si l’anti-hydrogène, comme l’exige la théorie actuelle du modèle standard des particules élémentaires et de leurs interactions, a exactement le même spectre que l’hydrogène.
D’autre part, toujours selon la même théorie, par ailleurs parfaitement vérifiée, l’antimatière attirerait par interaction gravitationnelle antimatière et matière de la même façon que la matière attire la matière. Pour simplifier, on peut se demander si les anti-hydrogènes vont descendre ou monter dans le champ de l’attraction terrestre. Pour pouvoir vérifier cela, il faut que l’agitation thermique des anti-atomes d’hydrogène soit extrêmement faible. Ceci pourra être atteint en les refroidissant avec des lasers comme dans le cas des atomes froids.

 

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 La température des atomes correspond à leur agitation thermique, laquelle est proportionnelle au carré de leur vitesse moyenne.

A l’aide de faisceaux lasers, on peut exercer sur les atomes des forces dues à l’absorption et à l’émission spontanée de rayonnement. Celles-ci réduisent la vitesse d’agitation thermique. Le refroidissement d’atomes par laser permet de refroidir un gaz atomique, jusqu’à des températures de l’ordre du milli et même du microkelvin.

 

L’accélérateur du CERN fournit des antiprotons qui, convenablement refroidis vers 100K, sont introduits dans le piège. Indépendamment, un plasma de positrons refroidis vers 40K est injecté de l’autre côté. L’interaction de ces deux plasmas produit des atomes d’anti-hydrogène. La plupart d’entre eux s’annihilent sur les parois du piège, tandis qu’une faible fraction est piégée. Et ceux-ci, au cours du long temps de confinement, se retrouvent dans leur état d’énergie de base, ce qui est nécessaire pour les mesures envisagées.

Le détecteur en silicium à trois couches concentriques qui entoure le piège est une pièce essentielle de l’appareillage. Il permet d’enregistrer tous les évènements d’annihilation d’anti-hydrogène avec leurs positions et de distinguer entre les rayons cosmiques et l’annihilation des anti-atomes.

A partir du moment où l’on va disposer d’antimatière au laboratoire pour un temps bien supérieur aux quelques microsecondes que l’on obtenait jusqu’ici, on va pouvoir déterminer toutes les caractéristiques de l’antimatière et vérifier ce que pensent la plupart des physiciens:qu’elle est telle que l’a prédit le modèle standard. Dans le cas inverse, la recherche d’une modification fondamentale de la théorie devrait ouvrir une toute nouvelle page de la Physique.

En savoir plus :

Nature Physics | DOI: 10.1038/NPHYS2025 Published on line 5 june 2011