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Une nouvelle expérience sur l'antimatière s'installe

L'expérience GBAR va produire des ions d'antihydrogène au repos pour pouvoir étudier l'effet de la gravité sur l'antimatière

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Une nouvelle expérience sur l'antimatière s'installe

Installation du linac de GBAR dans sa casemate de radioprotection. Les électrons accélérés à 10 MeV sur une cible fourniront les positons nécessaire à la formation d’antihydrogène, les antiprotons venant du décélérateur ELENA. (Image : Max Brice/CERN)

L'expérience GBAR a installé, le 1er mars, son premier élément : un accélérateur linéaire.

GBAR (Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest) est une expérience sur l'antimatière dont le but est de mesurer la chute d'atomes d'antihydrogène dans le champ gravitationnel de la Terre. L'effet de la gravité sur l'antimatière est une question ouverte en physique. Il existe, certes, des théories prédisant un comportement conforme ou non à celui de la matière, mais à ce jour il n'existe sur le sujet qu'une seule expérience de démonstration de principe, effectuée par la collaboration ALPHA.

Située dans le hall du Décélérateur d'antiprotons (AD), l'expérience GBAR est la première d'un ensemble de cinq expériences qui seront reliées au nouvel anneau de décélération ELENA (Extra Low Energy Antiproton). Elle utilisera des antiprotons fournis par ELENA et des positons créés par l'accélérateur linéaire récemment installé pour produire des ions d’antihydogène (atomes d’antihydrogène munis d’un positon supplémentaire).

Contrairement à ce qui se passe dans le complexe du LHC, où les accélérateurs sont très longs et les particules très accélérées, le monde de l'antimatière préfère les machines de petite dimension et ralentit les particules autant que possible. L'accélérateur linéaire GBAR ne fait qu'1,2 mètre de long. Il produit des électrons et les porte à une énergie de 10 MeV, les projetant ensuite sur une cible de tungstène. Lors de la collision, des positons, qui serviront à la production d'ions d'antihydrogène, sont créés ; ces positons seront ensuite piégés par un champ magnétique.

Avant de former des ions d'antihydrogène, les antiprotons passent par plusieurs étapes de réduction d'énergie. ELENA, utilisant un faisceau d'antiprotons à 5,3 MeV issu de l'AD, abaisse l'énergie d'un facteur 50, produisant ainsi des antiprotons à 100 KeV. En avril 2016, GBAR sera équipé de son propre décélérateur, qui ramènera l'énergie des antiprotons à 1 keV seulement.

« Avec les positons de l'accélérateur linéaire, nous créerons un nuage de paires électron-positon, appelées positoniums. Lorsque les antiprotons d'ELENA traverseront la cible de positoniums, ils attraperont les positons et deviendront des ions d'antihydrogène », explique Patrice Pérez, porte-parole de GBAR. En effet, positons et électrons peuvent, pour un temps très bref, s'associer pour former un atome exotique avant de s'annihiler.

Les ions d'antihydrogène sont beaucoup plus difficiles à produire que les atomes d'antihydrogène, mais leur charge positive les rend nettement plus faciles à manipuler. Au moyen de lasers, leur vitesse sera ramenée à un demi-mètre par seconde, ce qui permettra de les conduire jusqu'à un point fixe. Puis, alors qu'ils sont piégés par un champ électrique, il seront, au moyen d'un laser, privés de l'un de leurs positons, ce qui les transformera en atomes, électriquement neutres. La seule force s'exerçant sur eux à ce moment-là sera la gravité, et ils pourront faire une chute de 20 centimètres, pendant laquelle les chercheurs observeront leur comportement. 

GBAR a recours a une technologie inédite, ce qui en fait une expérience pionnière. D'après le programme prévu, d'ici à septembre 2018, l'installation de tous les éléments sera terminée et l'enregistrement des premières données pourra commencer.

Les résultats pourraient s'avérer très importants. Comme l’explique Patrice Pérez : « Le principe d'équivalence d'Einstein veut que la trajectoire d'une particule soit indépendante de sa composition et de sa structure interne lorsque cette particule est sous l'influence des forces gravitationnelles exclusivement. Si nous découvrons que la gravité a un effet différent sur l'antimatière, cela voudra dire qu'Einstein s'est trompé, et que nous ne savons pas grand-chose de l'Univers. »

Cinq autre expériences sont installées auprès du Décélérateur d'antiprotons, dont deux – AEGIS et ALPHA – étudient aussi l'effet de la gravité sur l'antimatière.

Image 360° du premier élément de l'experience GBAR (Image : Max Brice/CERN)