Dans un article publié dans la revue Nature, des scientifiques de l’expérience ALPHA du CERN ont montré, avec la plus grande précision à ce jour, que les particules d’antihydrogène ont une charge électrique neutre.

Selon le Modèle standard, théorie qui explique comment les constituants fondamentaux de la matière interagissent, tout élément d’antimatière – notamment l’antihydrogène – devrait avoir une charge exactement opposée à celle de l’élément de matière correspondant. Par exemple, un atome d’hydrogène est composé d’un électron, de charge négative, et d’un proton, de charge positive, et a donc une charge nette nulle. Un atome d’antihydrogène devrait contenir, à l’inverse, un positon, de charge positive, et un antiproton, de charge négative, ce qui donnerait une charge nette nulle. Toujours selon le Modèle standard, il y a eu, immédiatement après le Big Bang, des quantités égales de matière et d’antimatière. Mais il n’en est pas ainsi aujourd’hui ; il y a en effet beaucoup moins d’antimatière que de matière dans l’Univers.

Les physiciens savent que l’hydrogène a une charge neutre et ils espéraient, en étudiant la charge de l’antihydrogène, trouver un résultat différent ou surprenant, susceptible de les aider à comprendre pourquoi la Nature a une préférence pour la matière par rapport à l’antimatière. « On se pose une question cruciale : l’Univers est-il neutre ? Est-ce que toutes les charges positives et négatives sont exactement égales en valeur absolue, et avec quel degré de précision peut-on le vérifier ? »  explique Jeffrey Hangst, porte-parole de l’expérience ALPHA auprès du Décélérateur d’antiprotons (AD) du CERN et scientifique responsable de cette étude. « Pour la matière ordinaire, la charge est connue avec une  précision d’environ 1/10²¹ (10²¹ étant le nombre représenté par 1 suivi de 21 zéros), soit une précision très grande. Nous avons maintenant la possibilité, pour la première fois, de nous pencher sur cette question pour des antiatomes, en l’occurrence de l’antihydrogène, et c’est les résultats de cette étude que nous publions aujourd’hui. Nous avons fait la meilleure étude possible avec de l’antihydrogène piégé. »

Avec ALPHA, les physiciens commencent par combiner un antiproton et un positon (équivalent dans l’antimatière d’un électron) afin de créer de l’antihydrogène, qu’ils piègent alors dans un champ magnétique. Ils soumettent ensuite les particules piégées à un champ électrique, afin de voir si elles réagissent. Si l’antihydrogène réagit et s’échappe du piège, cela signifie qu’il a une charge, et s’il ne réagit pas, c’est qu’il est neutre. « ALPHA est conçu pour piéger l’antihydrogène, et le CERN est le seul endroit au monde où on pratique ce type de physique », explique Jeffrey Hangst.

Ce nouveau résultat peut aussi être interprété comme une nouvelle limite posée à la charge du positon. « La charge de l’antiproton a déjà été mesurée avec précision, donc si nous considérons que l’antihydrogène est effectivement neutre, nous pouvons fixer une nouvelle limite à la différence qui pourrait exister entre la charge du positon et la charge de son équivalent dans la matière, à savoir l’électron. Nos résultats améliorent la précision de la mesure de la charge d’un facteur 25 », précise Jeffrey Hangst.

Si ALPHA est en mesure d’étudier la charge de l’antihydrogène, l’objectif principal de cette expérience est d’étudier la spectroscopie de l’antihydrogène piégé. Les scientifiques enverront pour cela un faisceau laser sur l’antihydrogène, afin de découvrir si celui-ci absorbe les mêmes fréquences de lumière que l’hydrogène. « La spectroscopie nous fournirait la comparaison la plus précise qu’il soit possible d’obtenir entre l’antihydrogène et l’hydrogène, explique Jeffrey Hangst. C’est la raison principale pour laquelle ALPHA a été construite, et cela a toujours été l’objectif à long terme. » Les physiciens espèrent qu’ils obtiendront cette année les premiers résultats de spectroscopie d’ALPHA.

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