En 1928, le physicien britannique Paul Dirac formulait une équation combinant la théorie quantique et la relativité restreinte pour décrire le comportement d'un électron se déplaçant à une vitesse relativiste.
Cette équation – qui valut à Dirac le prix Nobel de physique en 1933 – posait un problème : tout comme l'équation x2 = 4 peut avoir deux solutions (x = 2 ou x = -2), l'équation de Dirac était vérifiée pour deux valeurs : un électron d'énergie positive et une particule d'énergie négative. Or la physique classique, tout comme le bon sens, voulait que l'énergie d'une particule ait toujours une valeur positive.
Les physiciens ont en ont donc déduit l’existence d’un « anti-électron », d’une masse identique à celle de l’électron mais possédant une charge électrique opposée. L’existence de cette particule a été démontrée par la découverte du positon par Carl Anderson en 1932.
À notre époque, nous savons que chaque type de particule de matière possède un équivalent dans l’antimatière, avec des propriétés identiques mais une charge électrique opposée. Cette symétrie a deux conséquences : les particules et les antiparticules sont toujours produites par paires, et elles s’annihilent quand elles entrent en contact, ne laissant derrière elles que de l’énergie, principalement sous la forme de photons et de pions.
L’énigme de l’asymétrie matière-antimatière
D’après nos connaissances, durant les premiers instants qui ont suivi le Big Bang, l’Univers, chaud et dense, était rempli de paires de particules et d’antiparticules qui apparaissaient et disparaissaient. Or, si la matière et l’antimatière sont toujours créées et détruites ensemble, alors l’Univers devrait actuellement être rempli de matière et d’antimatière en quantités égales. Ou alors, il ne devrait rien contenir d’autres que des rayonnements laissés par l’annihilation de toute la matière et l’antimatière produites lors du Big Bang.
Pourtant, on n’observe aucune de ces deux situations. De toute évidence, l’Univers n’est pas vide, mais les 50 % d’antimatière attendus restent introuvables : il semble qu’à présent l’Univers contienne presque exclusivement de la matière. Actuellement, la meilleure explication de cet état de fait est qu’après le Big Bang, un mécanisme inconnu a créé un minuscule excédent de matière (environ une particule de plus pour chaque millard de paires particule-antiparticule). Une fois les quantités égales de matière et d’antimatière entièrement annihilées, il n’est plus resté que cet excédent. Cette matière restante forme tout ce que nous pouvons voir aujourd’hui, aussi bien les plus infimes formes de vie sur Terre que les corps célestes les plus vastes.
L’un des plus grands défis de la physique est de parvenir à élucider ce qui est arrivé à l’antimatière et de comprendre d’où provient l’asymétrie observée entre la matière et l’antimatière.
Pour répondre à cette question (ainsi qu’à d’autres), des équipes de chercheurs travaillant au CERN fabriquent de l’antimatière pour la soumettre à des expériences. Tout commence dans leDécélérateur d'antiprotons, qui ralentit des antiprotons pour que leurs propriétés puissent être étudiées avec une très haute précision.
Foire aux questions
Quelles sont les expériences actuellement actives dans le cadre du programme sur l’antimatière du CERN ?
Six collaborations sont actives dans le programme sur l’antimatière du Décélérateur d’antiprotons et d’ELENA : AEGIS, ALPHA, ASACUSA, BASE, GBAR et PUMA. AEGIS, ALPHA, une partie d’ASACUSA et GBAR étudient les propriétés fondamentales de l’hydrogène en vue de mettre à l’épreuve la symétrie matière-antimatière et le principe d’équivalence faible, en utilisant des pièges à plasma, des pièges à atomes, des faisceaux d’atomes et la spectroscopie laser haute résolution. L’expérience ALPHA a mesuré les propriétés de l’antihydrogène jusqu’à 12 décimales significatives. L’expérience ASACUSA étudie les atomes antiprotoniques pour déterminer le rapport de masses entre antiproton et électron. L’expérience BASE utilise des pièges de Penning cryogéniques pour comparer les propriétés des protons et des antiprotons : sa comparaison du rapport charge sur masse à 11 décimales constitue le test le plus précis à ce jour de l’antimatière s’agissant des particules baryoniques. L’expérience PUMA utilisera des antiprotons pour étudier les noyaux riches en neutrons.
Comment stocker l’antimatière ?
L’antimatière est très difficile à conserver : tout contact entre une particule et une antiparticule de même type entraîne immédiatement leur annihilation mutuelle. Pour conserver les antiparticules, il faut donc les isoler de la matière ordinaire. Cela implique de les maintenir dans un vide extrême ; or, c’est l’expérience BASE au CERN qui a réussi à créer le vide le plus poussé jamais atteint dans une expérience sur Terre (5*10-19 mbar), parvenant à stocker des antiprotons pendant plus d’un an. Particules chargées Il est possible de conserver des antiparticules chargées électriquement, telles que les antiprotons, en utilisant des pièges électromagnétiques qui maintiennent les particules dans un champ magnétique afin de les empêcher de s’annihiler avec des particules. Cependant, les particules de même charge se repoussent mutuellement, si bien que plus un piège contient de particules, plus il doit être vaste, et plus il faut d’énergie pour alimenter les champs électrique et magnétique qui retiennent les antiparticules. Les plus grands pièges existant actuellement, tels que ceux utilisés dans les expériences GBAR et PUMA, peuvent contenir jusqu’à près d’un milliard d’antiparticules de même charge, ce qui correspond à environ 10-18 kg (0,000000000000000001 kg). Particules neutres Pour les antiparticules neutres ou les anti-atomes comme l’hydrogène, le stockage est encore plus compliqué. Il n’est toutefois pas impossible : les atomes d’antihydrogène étant légèrement magnétiques, ils peuvent être piégés dans un champ magnétique très puissant, calibré avec précision, technique démontrée pour la première fois par l’expérience ALPHA à l’usine d’antimatière. Ils peuvent être stockés pendant de nombreuses heures, ce qui laisse aux scientifiques le temps d’étudier avec précision leurs propriétés. En principe, les technologies actuelles pourraient permettre de stocker ainsi jusqu’à 100 000 particules.
Quelle quantité d’antimatière arrive-t-on à produire ?
L’antimatière n’existe pas dans la nature, sauf sous la forme d’antiparticules isolées produites lors d’interactions dans le noyau ou dans des rayons cosmiques. La seule manière de l’obtenir est donc de la produire. Le CERN dispose d’une installation à cette fin : l’usine d’antimatière. En fonctionnement, elle livre aux expériences sur l’antimatière environ 400 millions d’antiprotons par heure, dont environ 10 % sont capturés. À l’expérience ALPHA, ces antiprotons peuvent servir à créer jusqu’à 3 000 atomes d’antihydrogène par heure, et peuvent être conservés jusqu’à 100 heures. Même si on pouvait construire un piège capable de conserver sans perte de grandes quantités d’antihydrogène et exploiter l’usine d’antimatière en continu pendant un an, on n’obtiendrait qu’environ 30 millions d’atomes, soit 3*10-20 kg (0,00000000000000000003 kg). Le nombre total d’antiprotons livrés serait de 300 milliards, soit seulement 3*10-16 kg.
Quelle est la quantité d’énergie libérée lors de l’annihilation ? Peut-on utiliser l’antimatière comme source d’énergie ?
Quand l’antimatière entre en contact avec la matière, les deux substances s’annihilent, convertissant leur masse en photons et pions de haute énergie. L’efficacité énergétique de ce processus est presque parfaite, car toute la masse des particules annihilées est convertie dans l’énergie des particules produites : c’est environ 50 fois plus efficace que la fusion nucléaire. Si on était capable de produire et de piéger de grandes quantités d’antimatière, son annihilation à grande échelle pourrait théoriquement être utilisée pour produire de l'énergie. Cependant, il faudrait pouvoir convertir les pions et les rayonnements gamma de haute énergie produits lors de l’annihilation en une forme d’énergie utilisable. Quoi qu’il en soit, il est actuellement impossible de produire une quantité significative d’antimatière (voir réponses précédentes). La quantité maximale d’antihydrogène que l’on peut imaginer fabriquer en une année, même si on était en mesure de la piéger tout entière et de la faire s’annihiler d’un coup, ne produirait guère plus que quelques millièmes de joule d’énergie. C’est à peu près l’énergie qu’il faut pour effleurer du doigt un écran. Si on exploitait l’usine d’antimatière pendant une année entière, sans interruption, le total des antiprotons produits cumulerait une énergie d’environ 500 joules : assez pour illuminer une ampoule de 100 W pendant cinq secondes.
Peut-on transporter de l’antimatière piégée ?
La première tentative pour transporter de l’antimatière a été faite par l’expérience BASE à l’usine d’antimatière du CERN. En mars 2026, le dispositif BASE-STEP a capturé des antiprotons dans un piège à ions transportable et les a chargés dans un camion afin de les transférer vers une installation où ils ont pu être étudiés avec une plus grande précision. L’acheminement d’antimatière à l’extérieur du CERN permettrait à de nombreux laboratoires européens de mener de nouvelles recherches indépendantes sur les antiprotons.
Quel équipement faut-il pour transporter de l’antimatière ?
Un équipement pesant près d’une tonne déplacé à l’aide d’une grue ou d’un chariot élévateur. Le dispositif utilisé par l’expérience BASE-STEP est en fait assez petit en comparaison des autres expériences reposant sur un piège de Penning. Il est conçu pour être installé sur un camion, avec un châssis suffisamment étroit pour pouvoir passer par des portes de laboratoire ordinaires. Son poids est dû en grande partie aux aimants supraconducteurs (plus de 600 kg).
Est-il dangereux de transporter de l’antimatière ?
Le dispositif BASE-STEP piège entre 100 et 1000 antiparticules. Si le piège dysfonctionne durant le transport et que les antiparticules s’annihilent, l’énergie libérée sera d’environ un millionième de joule. C’est environ 10 000 fois moins qu’une simple pression sur une touche de clavier. Transporter des antiparticules n’est pas plus dangereux que de transporter une marchandise quelconque.
Le Décélérateur d’antiprotons (AD), machine unique en son genre, produit des antiprotons de basse énergie pour étudier l’antimatière et « fabriquer » des atomes d’antimatière.
