L'expérience GBAR, au CERN, vise à mesurer l'accélération d'un atome d'antihydrogène – forme la plus simple sous laquelle se présente l'antimatière atomique – dans le champ de gravité terrestre, et de la comparer à celle d'un atome d'hydrogène ordinaire. Une telle comparaison constitue un test crucial pour vérifier le principe d'équivalence d'Einstein, qui veut que la trajectoire d'une particule soit indépendante de sa composition et de sa structure interne lorsque cette particule est soumise uniquement aux forces gravitationnelles.

Mais produire un antiatome et le décélérer suffisamment pour l'observer en chute libre relève de l'exploit. La voie choisie par l'expérience GBAR consiste à produire dans un premier temps un atome d'antihydrogène, puis d'en faire un ion positif (l'équivalent dans l’antimatière d'un ion H-). L’ion peut ensuite être ralenti grâce à des techniques d’optique quantique. Enfin, il est neutralisé pour faire la mesure de chute libre. La collaboration GBAR a annoncé dans un article récent qu'elle avait réussi à produire ses premiers antiatomes.

Pour ce faire, l'équipe a élaboré un protocole complexe dans lequel des atomes d'antihydrogène sont assemblés à partir d'antiprotons produits par le Décélérateur d’antiprotons (AD), et de positons produits au sein de GBAR. Les antiprotons de l’AD, d’une énergie de 5,3 MeV, sont décélérés et refroidis dans l’anneau ELENA, et un paquet de quelques millions d’antiprotons de 100 keV est envoyé à GBAR toutes les deux minutes. Dans GBAR, un appareil appelé tube de glissement décélère encore ce paquet pour qu'il atteigne une énergie ajustable de quelques keV. En parallèle, dans une autre partie de GBAR, un accélérateur de particules linéaire envoie des électrons de 9 MeV sur une cible de tungstène. Les positons ainsi produits sont accumulés dans une série de pièges électromagnétiques. Juste avant l’arrivée du paquet d’antiprotons, les positons sont envoyés sur une couche de silice nanoporeuse. Un sur cinq positons environ en ressort sous la forme d’un atome de positonium (l'état lié d'un positon et d'un électron). Lorsque le paquet d'antiprotons traverse le nuage d’atomes de positonium, il peut se produire un échange de charge : le positonium cède son positon à l'antiproton, qui devient un antihydrogène.

Fin 2022, au cours d’un fonctionnement de plusieurs jours, la collaboration GBAR a détecté une vingtaine d’atomes d'antihydrogène ainsi produits, validant pour la première fois cette méthode de production « en vol ».

Cette première étape essentielle sera maintenant suivie d’une amélioration de la production d’atomes d’antihydrogène. Une plus grande production permettra des mesures de précision sur les antihydrogènes eux-mêmes, en particulier sur l’écart d'énergie qu’il y a entre deux niveaux atomiques spécifiques : le décalage de Lamb. Cette mesure donnera une valeur plus précise du rayon de l’antiproton. Elle sera suivie par la production d'ions antihydrogène positifs, et enfin par la mise en œuvre des systèmes laser permettant de refroidir et de neutraliser les ions, et, ainsi, d’observer la chute libre d'un atome d'antihydrogène.

L'expérience GBAR n'est pas la première à produire de l'antihydrogène. En 1995, l’installation LEAR (Anneau d’antiprotons de basse énergie), du CERN, avait produit neuf antiatomes, mais à une énergie trop élevée pour permettre d’effectuer des mesures. Fort de ce premier succès, l’Accumulateur d’antiprotons du CERN (utilisé pour la découverte des bosons W et Z en 1983) a été reconverti en décélérateur, l'AD, seule installation au monde à fournir des antiprotons de basse énergie (5 MeV) aux expériences sur l'antimatière. Après la démonstration du piégeage d'antiprotons par les expériences ATRAP et ATHENA, l'expérience ALPHA, qui succède ATHENA, a été la première à fusionner des antiprotons et des positons piégés, et à piéger les atomes d'antihydrogène qui en résultent. Depuis, les expériences ATRAP et ASACUSA ont également franchi ces deux étapes-clé. L'expérience AEgIS, quant à elle, produit des faisceaux pulsés d'antiatomes. L'expérience GBAR rejoint maintenant ce club d'élite, ayant produit des atomes d'antihydrogène de 6 keV en vol.

L'expérience GBAR n'est pas non plus la seule à vouloir mettre le principe d’équivalence d'Einstein à l'épreuve en utilisant de l'antimatière atomique : ALPHA et AEgIS cherchent également à atteindre cet objectif, mais par d'autres voies.

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Ce texte est tiré d'un article initialement publié ici.