théorie_matière_antimatière_recherche_2018

Comme tout fan de Star Trek le sait, l’antimatière est censé être exactement le contraire de la matière, de sorte que si les deux se touchent, ils s’annulent mutuellement dans un éclair d’énergie pure. Maintenant, après des décennies d’essais, des physiciens ont comparé les atomes et les antiatomes. Les deux semblent se comporter de la même manière dans une minuscule incertitude, et de manière alambiquée. Ce résultat soutient le fondement de la théorie de la relativité restreinte d’Albert Einstein, ouvrant également la voie à des comparaisons plus rigoureuses entre matière et antimatière, et à la possibilité que les deux ne soient pas exactement des opposés.

«Nous attendons cela depuis 30 ans», explique Thomas Udem, physicien expérimental à l’Institut Max Planck d’optique quantique à Garching, en Allemagne, qui travaille sur les mesures de précision de l’hydrogène. « Je considère que c’est une réussite incroyable. » La mesure est «une œuvre d’art», explique Stefan Ulmer, un expérimentateur de l’institut de recherche japonais RIKEN à Wako, qui n’était pas impliqué dans ce nouveau travail.

La symétrie de la matière et de l’antimatière

Un atome d’antihydrogène est constitué d’un antiélectron (ou positron) lié à un antiproton. Depuis 2002, quelques groupes étudient l’antihydrogène au laboratoire européen de physique des particules du CERN, près de Genève, en Suisse; l’unique source majeure d’antiprotons au monde. Un tel travail ne mènera à rien de tel que la commande de distorsion de Star Trek, mais elle permettra aux physiciens de déterminer si les atomes d’hydrogène et d’antihydrogène ont exactement les mêmes masses, spins et autres propriétés de base.

Sinon, les résultats gâcheraient le modèle standard des physiciens des particules et des forces fondamentales. La théorie possède une sorte de symétrie mathématique qui exige que les particules et les antiparticules soient des opposés. Détruire cette symétrie et, en remontant à travers la théorie, les implications renverseraient la prémisse centrale de la théorie spéciale d’Einstein. Ainsi, toute différence entre la matière et l’antimatière nécessiterait de repenser toute la physique moderne.

Un test clé de la symétrie matière-antimatière consiste à comparer les fréquences de la lumière absorbée par les atomes d’hydrogène et d’antihydrogène. Selon la mécanique quantique, un atome peut seulement absorber un photon d’énergies et de couleurs particulières lorsque l’électron dans l’atome saute d’un état d’énergie inférieur à un état d’énergie plus élevé. Selon le modèle standard, l’hydrogène et l’antihydrogène doivent avoir exactement les mêmes états et absorber des photons de même énergie.

Mesurer l’état d’énergie; 1s et 2s

Jeffrey Hangst, physicien expérimental à l’Université d’Aarhus au Danemark, et ses 48 collègues de la collaboration ALPHA au CERN ont mesuré la différence d’énergie entre l’état d’énergie le plus bas de l’antihydrogène, appelé 1S, et un état énergétique plus élevé appelé 2S; ce qui est de loin la transition la plus précisément mesurée avec l’hydrogène ordinaire.

Si les expérimentateurs travaillaient avec des atomes d’hydrogène ordinaires, ils auraient pu utiliser le laser pour stimuler les atomes jusqu’à leur état 2S, puis les exciter avec un champ électrique pour les rendre fluorescents. C’est ainsi que la transition 1S-2S dans l’hydrogène a été mesurée à quatre parties dans un quintillion; environ 1000 fois plus précis que les nouveaux résultats de l’antihydrogène, nous explique Thomas Udem.

Cependant, cette méthode ne fonctionnera pas pour l’antihydrogène parce que les chercheurs d’ALPHA piègent typiquement environ 40 atomes par essai; ce qui est trop peu pour produire une fluorescence détectable. Grâce aux bizarreries de la théorie quantique, pour faire sauter de 1S à 2S, l’antihydrogène doit absorber deux photons avec la moitié de l’énergie nécessaire à la transition 1S-2S. Lorsqu’il est excité, un atome peut absorber un troisième photon, qui enlève entièrement son positron. L’antiproton flotte ensuite hors du piège et dans un réseau environnant de détecteurs de particules, dans lequel il est annihilé et produit un souffle subatomique. En comptant les antiprotons qui s’échappent, les chercheurs ont estimé combien d’atomes étaient excitants.

Il y aurait une correspondance

L’année dernière, les chercheurs de l’ALPHA ont rapporté leur première observation de la transition 1S-2S avec l’antihydrogène. Maintenant, ils ont démontré qu’il correspond à l’hydrogène à deux parties dans un billion. La forme précise de la ligne d’absorption correspond également à celle de l’hydrogène, comme le rapportent les chercheurs dans Nature. « Nous avons fait de la spectroscopie laser avec l’antihydrogène », explique M. Hangst. « Cela a été un objectif essentiel. »

Selon Alan Kostelecky, un théoricien de l’Université de l’Indiana à Bloomington, l’expérience semble resserrer les limites des violations possibles de la relativité par un facteur de 10 à 100. « C’est certainement un résultat spectaculaire », explique-t-il. Cependant, dans le modèle standard, une violation de la relativité peut se manifester de plusieurs façons, et certaines sont déjà plus étroitement limitées par d’autres types d’expériences, nous dit Kostelecky.

Plus de précision

Hangst indique que l’équipe ALPHA peut aller plus loin et rendre sa mesure de la transition 1S-2S aussi précise que celle actuellement réalisée avec l’hydrogène. «Ce ne sera pas l’année prochaine, mais ce ne sera pas non plus dans 10 ans», explique-t-il. Quant à savoir si l’antihydrogène sera vraiment différent de l’hydrogène, la plupart des physiciens considèrent que ce sera probablement sur du long terme.

Ulmer nous explique: «La seule façon d’apprendre est de chercher une nouvelle physique là où nous n’avions jamais regardé auparavant. Dans l’une des comparaisons les plus simples, Hangst et ses collègues voudraient voir si les atomes d’antihydrogène sont « attirés » par la gravité de la Terre. Un test que Hangst nous dit que cela pourrait se faire cette année.

[via Science]