14/10/2023 Matière et Antimatière

Rappelons en introduction qu’il ne faut pas confondre la matière noire et l’anti-matière. Il n’y a en moyenne qu’une particule d’antimatière pour un milliard de particules de matière. Donc l’antimatière ne joue aucun rôle dans l’Univers d’aujourd’hui, alors que la matière noire est prépondérante.

L’antimatière est si l’on peut dire le contraire de la matière, dont sont constituées les étoiles et les planètes. Les deux substances auraient été générées en quantités égales lors du Big Bang, La dernière étude en date a révélé que les deux matières réagissent de la même manière à la gravité. Autrement dit, si on laissait tomber un morceau d’antimatière, il arriverait au sol aussi vite que le ferait son homologue constitué  de matière.

Pendant des années, les physiciens se sont efforcés de découvrir les différences et les similitudes entre les deux substances, afin d’expliquer l’origine de l’univers. Découvrir que l’antimatière s’élèverait vers le haut en réponse à la gravité, au lieu de tomber, aurait complètement bouleversé tout ce que nous savons de la physique.

Or, il vient d’être confirmé pour la première fois que les atomes d’antimatière tombent. Loin d’être une impasse scientifique, cette découverte ouvre la voie à de nouvelles expériences et hypothèses. Tombent-ils à la même vitesse, par exemple ? Lors du Big Bang, la matière et l’antimatière ont dû se combiner et s’annuler, ne laissant que de la lumière. C’est l’un des grands mystères de la physique, et la découverte des différences entre les deux est la clé pour le résoudre. Or d »une manière ou d’une autre, la matière a pris le dessus sur l’antimatière dans les premiers instants de la création.

La façon dont elle réagit à la gravité pourrait en être la clé, selon le Dr Danielle Hodgkinson, membre du groupe de recherche de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN), en Suisse, l’un des plus grands laboratoires de physique des particules au monde.

« Nous ne comprenons pas comment notre univers en est venu à être dominé par la matière, c’est donc ce qui motive nos expériences » a-t-elle dit.

La plupart de l’antimatière n’existe que de façon fugace dans l’univers. Pour réaliser les expériences, l’équipe du CERN a donc dû la créer sous une forme stable et durable. Le professeur Jeffrey Hangst a passé 30 ans à mettre au point une installation permettant de construire méticuleusement des milliers d’atomes d’antimatière à partir de particules subatomiques, puis de les piéger et de les relâcher à nouveau.

« L’antimatière s’avère être la substance la plus fascinante et la plus mystérieuse que l’on puisse imaginer. Pour autant que nous puissions le comprendre, il serait possible de construire un univers comme le nôtre, avec vous et moi, uniquement composé d’antimatière », explique le professeur Hangst.

D’abord, qu’est que la matière ? Tout dans notre monde est fait de matière, depuis les plus petites particules jusqu’aux atomes. L’atome le plus simple est l’hydrogène. C’est l’élément le plus important qui compose le Soleil. Un atome d’hydrogène est constitué d’un proton chargé positivement au centre et d’un électron chargé négativement en orbite autour de lui.

Dans le cas de l’antimatière, les charges électriques sont inversées. Prenons l’exemple de l’antihydrogène, qui est la version antimatière de l’hydrogène, utilisée dans les expériences du CERN. Son centre est constitué d’un proton chargé négativement (antiproton) autour duquel tourne un électron chargé positivement (positron).

Les antiprotons du CERN sont produits par la collision de particules à l’intérieur des accélérateurs du Centre. Ils sont transportés par des tubes vers le laboratoire d’antimatière à une vitesse élevée, presque égale à celle de la lumière. Cette vitesse est trop élevée pour que les chercheurs puissent la contrôler. La première étape consiste donc à les ralentir en les faisant passer dans un grand anneau magnétique. Cela permet d’extraire leur énergie, jusqu’à ce que leur mouvement deviennent plus observables.

Les antiprotons et les positrons sont envoyés ensuite vers un aimant géant, où ils se mélangent pour former des milliers d’atomes d’antihydrogène. L’aimant crée un champ magnétique qui piège l’antihydrogène. S’il venait à toucher les parois du conteneur, il serait instantanément détruit, car l’antimatière ne peut survivre au contact avec la matière . Lorsque le champ magnétique est désactivé, les atomes d’antihydrogène sont libérés. Des capteurs détectent alors s’ils sont tombés vers le haut ou vers le bas.

Certains physiciens théoriques ont prédit que l’antimatière pourrait tomber (monter) vers le haut, alors que la plupart d’entre eux, notamment Albert Einstein dans sa théorie générale de la relativité il y a plus de 100 ans, affirment qu’elle devrait se comporter comme la matière et tomber vers le bas. Les chercheurs du CERN viennent de confirmer, avec le plus haut degré de certitude jamais atteint, qu’Einstein avait raison.

Mais ce n’est pas parce que l’antimatière ne tombe pas vers le haut qu’elle tombe vers le bas exactement à la même vitesse que la matière. Aussi, dans les prochaines étapes de la recherche, l’équipe améliorera son expérience pour la rendre plus sensible et vérifiera s’il existe une légère différence dans les vitesses de chute de l’antimatière.

Si c’était le cas, cela pourrait répondre à l’une des principales questions que pose la cosmologie: comment l’univers est-il apparu ?

Les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue Nature. Nous en reprenons ci-dessous les références et l’abstract.

Les chercheurs du CERN préparent d’autres expériences pour tester ces premiers résultats, notamment celles dites AEgIS et GBAR

Référence

Observation of the effect of gravity on the motion of antimatter
Abstract

Einstein’s general theory of relativity from 1915 remains the most successful description of gravitation. From the 1919 solar eclipse to the observation of gravitational waves, the theory has passed many crucial experimental tests. However, the evolving concepts of dark matter and dark energy illustrate that there is much to be learned about the gravitating content of the universe. Singularities in the general theory of relativity and the lack of a quantum theory of gravity suggest that our picture is incomplete. It is thus prudent to explore gravity in exotic physical systems. Antimatter was unknown to Einstein in 1915. Dirac’s theory  appeared in 1928; the positron was observed in 1932. There has since been much speculation about gravity and antimatter. The theoretical consensus is that any laboratory mass must be attracted by the Earth, although some authors have considered the cosmological consequences if antimatter should be repelled by matter. In the general theory of relativity, the weak equivalence principle (WEP) requires that all masses react identically to gravity, independent of their internal structure. Here we show that antihydrogen atoms, released from magnetic confinement in the ALPHA-g apparatus, behave in a way consistent with gravitational attraction to the Earth. Repulsive ‘antigravity’ is ruled out in this case. This experiment paves the way for precision studies of the magnitude of the gravitational acceleration between anti-atoms and the Earth to test the WEP.4/10/2023 Matière et Antimatière

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