Stocker l’antihydrogène

Comme la mise en présence d’antimatière et de matière ordinaire aboutit à l'annihilation des deux, son stockage n'est pas facile

En 1928, le physicien Paul Dirac émettait l’hypothèse qu’à chaque particule de matière correspondait une particule d’antimatière. L’année suivante, Carl Anderson confirmait l’existence de l’antimatière, avec la découverte du positon. Cependant, l’antimatière est rare. Aujourd’hui, tout ce que nous percevons, depuis la plus petite forme de vie sur la Terre jusqu’aux astres les plus massifs, est constitué presque intégralement de matière. Juste après le Big Bang, la plus grande partie de l’antimatière a disparu, laissant derrière elle la petite portion de matière qui constitue l’Univers dans lequel nous vivons aujourd’hui.

Les astronomes cherchent de l’antimatière dans l’espace, mais cette antimatière est difficile à trouver sur Terre. C’est pourquoi, afin de l’étudier, les physiciens doivent la fabriquer eux-mêmes. Mais comme la mise en présence d’antimatière et de matière ordinaire aboutit à l'annihilation des deux, avec une grande production d'énergie, son stockage n'est pas facile.

Fabriquer de l’antihydrogène

L’atome le plus simple, l’hydrogène, a un équivalent en antimatière, l’atome d’antihydrogène, de charge nulle, constitué d’un positon (chargé positivement) associé à un antiproton (chargé négativement).

En 1995, les physiciens du CERN annonçaient qu’ils avaient réussi à fabriquer les premiers atomes d’antihydrogène au LEAR (l’anneau d’antiprotons de basse énergie du CERN où l’antihydrogène a été découvert). Les chercheurs ont amené des antiprotons circulant dans le LEAR à entrer en collision avec des atomes d’un élément lourd. Tout antiproton passant suffisamment près de noyaux atomiques lourds était susceptible d’y faire apparaître une paire électron-positon ; dans un tout petit pourcentage des cas, l’antiproton se liait au positon pour créer un atome d’antihydrogène. Ces antiparticules étaient fortement énergétiques, chacune parcourant 10 m à une vitesse proche de la vitesse de la lumière, puis s’annihilant au contact de la matière ordinaire après un intervalle d’environ 40 milliardièmes de seconde. Réussir à fabriquer de l’antihydrogène était une grande avancée, mais les atomes produits étaient trop énergétiques (trop « chauds »), ce qui les rendait très difficiles à étudier.

Afin de pouvoir mieux comprendre les atomes d’antimatière, les physiciens du CERN ont besoin de disposer de plus de temps pour interagir avec eux. C’est pourquoi ils ont mis au point des techniques permettant de capturer et de piéger l’antihydrogène pour des périodes plus longues. Le Décélérateur d’antiprotons installé au CERN à la fin des années 1990 a commencé à produire des antiprotons de plus faible énergie, moins agités, pour les expériences d’antimatière telles qu’ATHENA, ATRAP et ALPHA.

Dans ces expériences, des champs électriques et magnétiques maintiennent les antiprotons séparés des positons, dans un vide presque parfait, qui les tient à l’écart de la matière ordinaire. Les antiprotons passent à travers un gaz d’électrons dense, qui les ralentit encore.

Lorsque l’énergie est suffisamment basse, les physiciens d’ALPHA utilisent le potentiel électrique pour pousser les antiprotons dans un nuage de positons maintenus dans le vide. Les deux types d'antiparticules chargées se combinent en atomes d'antihydrogène de basse énergie. Comme les atomes d’antihydrogène n’ont pas de charge électrique, le champ électrique ne peut plus les maintenir en place. On utilise donc deux aimants supraconducteurs produisant un fort champ magnétique qui tire parti des propriétés magnétiques de l’antihydogène. Si les atomes d’antihydrogène ont une énergie suffisamment basse, ils peuvent rester dans cette « bouteille » magnétique pendant longtemps.

Actuellement, la seule façon de savoir si on a effectivement piégé de l’antimatière est de laisser celle-ci s’annihiler avec de la matière. Lorsque les aimants sont désactivés, les atomes d’antihydrogène s’échappent du piège et s’annihilent rapidement avec les parois du piège. Des détecteurs au silicium enregistrent le dégagement d’énergie, permettant d'établir précisément la position de l’antiatome quand il est annihilé. Ce n’est qu’à ce moment-là que les physiciens peuvent être sûrs qu’ils ont piégé l’antihydrogène.

Piéger l’antimatière au CERN

En juin 2011, l’expérience ALPHA a annoncé qu’elle avait réussi à piéger des atomes d’antimatière pendant plus de 16 minutes. À l’échelle atomique, c’est une durée de vie très longue – suffisamment longue pour que l’on commence à étudier en détail les propriétés de ces antiatomes. Par des comparaisons précises entre hydrogène et antihydrogène, plusieurs équipes espèrent arriver à étudier les propriétés de l'antihydrogène , et notamment à déterminer si celui-ci présente les mêmes raies spectrales que l’hydrogène. L’une des expériences, AEGIS, s’efforcera même de mesurer la valeur de g, la constante d’accélération gravitationnelle, pour les atomes d’antihydrogène.

Plus les expériences pourront piéger longtemps l’antihydrogène, plus les mesures seront précises, ce qui permettra aux physiciens de mieux explorer les mystères de l'antimatière. Le décélérateur ELENA permettra à toutes les expériences menées au Décélérateur d’antiprotons d’obtenir des faisceaux d’antiprotons plus abondants et de plus basse énergie, ce qui facilitera la production de grandes quantités d’antihydrogène.

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