Pour la première fois, des scientifiques manipulent directement l’antimatière

L’antimatière, les mystérieuses antiparticules qui existent avec une hypothétique charge opposée à celle de la matière (l’élément constitutif de l’univers connu), a enfin été directement manipulée par des scientifiques. Selon un article publié dans la revue Nature, le projet ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus), basé au CERN à Genève, a ralenti les particules d’antihydrogène en les refroidissant par laser jusqu’au zéro absolu. Il s’agit d’une percée choquante en raison de la volatilité et de l’imprévisibilité de l’antimatière. Ses implications conduiront à des questions sur la composition même de la réalité.

Selon des scientifiques, la manipulation directe de l’antimatière ouvrira des possibilités « impensables » d’examen de la composition fondamentale de notre réalité.

L’un des plus grands mystères non résolus de notre univers est la raison pour laquelle la matière normale – celle qui compose les étoiles, les planètes et nos corps – est tellement plus abondante que l’antimatière, une matière exotique composée d’antiparticules qui ont une charge opposée à celle des particules normales.

La capacité d’analyser et de manipuler l’antimatière permettra aux scientifiques de tester des hypothèses fondamentales (c’est la Matrice des Contes de Skuld) sur la composition de la réalité, par exemple si les particules d’antimatière sont vraiment identiques à la matière, à l’exception de leur charge.

Le refroidissement et la manipulation par laser de divers matériaux est une technique vieille de plusieurs décennies qui a donné lieu à de nombreux résultats révolutionnaires, mais c’est la première fois qu’elle est utilisée avec des atomes d’antimatière.

Mais avant de se plonger dans le mécanisme et les implications de cette nouvelle expérience, il convient de prendre un peu de recul pour comprendre pourquoi l’antimatière est restée un si grand point d’interrogation dans les modèles de l’univers.

On pense que les particules d’antimatière sont identiques aux particules qui composent la matière ordinaire, sauf qu’elles portent une charge exactement opposée. La contrepartie d’un électron dans une particule normale est un positron dans une particule d’antimatière ; un proton est un antiproton, et ainsi de suite. Parce qu’elles sont des formes de matière égales mais opposées, les particules et les antiparticules s’annihilent de manière spectaculaire lorsqu’elles entrent en collision, une réaction qui crée des sous-produits détectables en laboratoire et qui prouve que l’antimatière existe bel et bien.

Selon les théories physiques modernes, le Big Bang aurait dû doter l’univers de quantités égales de particules et d’antiparticules. Le résultat d’une telle configuration aurait fait en sorte que toutes ces paires matière-antimatière se détruisent mutuellement dans une confrontation cosmique épique, ne laissant derrière elles que des restes d’énergie pour l’éternité.

Vous avez peut-être remarqué qu’en réalité, l’univers n’est pas une simple enveloppe vibrante d’énergie résiduelle. Il s’agit d’une entité physique dans laquelle la matière a fini par être beaucoup plus abondante que l’antimatière, ce qui soulève un problème désormais connu sous le nom de « problème d’asymétrie de la matière« .

Pour sonder ce mystère, les scientifiques doivent étudier l’antimatière dans des conditions de laboratoire. Mais comme l’a fait remarquer Fujiwara, c’est plus facile à dire qu’à faire. En raison de sa relation combustible avec la matière ordinaire, il est difficile de produire de grandes quantités de ce matériau dans notre monde hostile à l’antimatière. Lorsque les premiers atomes d’antimatière ont été générés au CERN dans les années 1990, ils n’ont existé que pendant une infime fraction de seconde, une période bien trop courte pour les examiner en détail.

En 2011, cependant, le CERN avait mis au point une technique permettant de piéger des atomes d’antihydrogène pendant une durée record de 1 000 secondes. Fujiwara, qui était l’un des coauteurs de cette étude, y voyait la percée qui pourrait un jour faire du refroidissement par laser des particules d’antimatière une réalité. Cette avancée pourrait ralentir considérablement les atomes d’antimatière expérimentaux à partir d’une vitesse d’environ 300 kilomètres par heure (186 miles par heure), ce qui permettrait des observations plus précises – et même la manipulation – de cette entité bizarre.

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Aujourd’hui, une décennie plus tard, le travail acharné de l’équipe a porté ses fruits. Au cours de cette période, Momose et ses collègues ont perfectionné le laser ALPHA pour qu’il émette de la lumière à la bonne fréquence afin de refroidir les atomes d’antihydrogène à des températures proches du zéro absolu, ce qui a permis de les ralentir à des vitesses inférieures à 50 kilomètres par heure (31 miles par heure).

Sous cette forme froide et ralentie, la lumière laser peut en fait manipuler l’antihydrogène, ce qui signifie que l’antimatière peut être contrôlée et déplacée avec une précision sans précédent, permettant aux chercheurs de faire de nouvelles observations sur ses propriétés et son comportement étranges.

Pour l’instant, l’équipe ALPHA prévoit de continuer à améliorer la technique afin de pouvoir vérifier les prédictions fondamentales selon lesquelles l’antimatière est identique à la matière, à l’exception de sa charge. S’ils trouvent d’autres déviations dans les particules d’antihydrogène, cela pourrait indiquer l’existence d’une nouvelle physique époustouflante au-delà du modèle standard bien corroboré.

L’équipe espère également examiner d’autres mystères en suspens, comme le problème de l’asymétrie de la matière ou les interactions inconnues de l’antimatière avec la gravité : ce dernier axe de recherche pourrait fournir un nouveau test du principe d’équivalence de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein. Il ne s’agit là que de quelques exemples très médiatisés des applications possibles de cette technique, mais étant donné le rôle essentiel et déroutant de l’antimatière dans notre cosmos, toute nouvelle information sur ses étranges caractéristiques sera précieuse pour comprendre les fondements mêmes de notre réalité.

À cette fin, Fujiwara et Momose ont également fondé un nouveau projet intitulé Hydrogen Antihydrogen Infrastructure at Canadian Universities for Quantum Innovations in Antimatter Science (HAICU) afin de repousser les limites de leurs recherches.

« L’objectif à long terme dans notre domaine est vraiment d’essayer de faire des comparaisons aussi précises que possible des propriétés de la matière et de l’antimatière », conclut Fujiwara. « Les propriétés et l’équivalence de la matière et de l’antimatière sont profondément liées aux fondements de notre compréhension physique de la nature. »

 

Pour en savoir plus sur cette découverte et sur ce qu’elle signifie pour notre compréhension future de l’univers, consultez le site Vice.

Image reproduite avec l’aimable autorisation du Goddard Space Flight Center de la NASA.

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