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Antimatière : sa masse déterminerait le destin de l'Univers

D'après les équations de la physique, matière et antimatière sont comme deux soeurs jumelles. Or l'Univers ne contient que la première. Pour tenter de comprendre où est passée l'antimatière, des physiciens vont bientôt peser des "antiatomes". Son secret pourrait en effet résider dans une masse... négative !

Illustration - Annihilation matière-antimatièreSi des galaxies composées d’antimatière entraient en collision avec des galaxies composées de matière alors, en vertu de l’équivalence entre masse et énergie, l’annihilation de la matière avec l’antimatière produirait d’intenses jets de rayons gamma. Ici, une illustration représentant ce phénomène.
© Nasa / CXC / M. Weiss

Antimatière. À lui seul, le mot suffit à susciter la curiosité et à délier l’imagination. Non seulement des amateurs de science-fiction, mais aussi des physiciens, pour qui cette sœur jumelle de la matière est l’une des plus grandes énigmes de la physique contemporaine. D’après les équations du modèle standard cosmologique, théorie qui décrit les particules élémentaires, chaque particule est associée à une particule d’antimatière qui serait comme son image dans un miroir. Ainsi, l’antiélectron ressemble comme deux gouttes d’eau à l’électron, si ce n’est qu’il possède une charge électrique opposée.

Conformément à cette théorie, les physiciens ont pu créer et observer dans leurs accélérateurs de particules tous les représentants de l’antimonde : antiprotons, antiquarks, antineutrinos… Du coup, une question les tiraille. Si matière et antimatière sont à ce point symétriques, comment expliquer que les galaxies, les étoiles, les planètes, nous… bref tout ce qui compose l’Univers soit invariablement constitué de matière ? Autrement dit, où est passée l’antimatière ?

Aujourd’hui, personne n’en sait rien. Après tout, peut-être que matière et antimatière ne sont pas aussi semblables qu'on ne le pensait. Pour en avoir le cœur net, les physiciens n’ont pas d’autre solution que de comparer les propriétés des particules élémentaires qui constituent la matière avec celles de l’antimatière. Leur but : découvrir des différences pouvant expliquer la victoire de la première sur la seconde dans l’Univers.

Comment ? En fabriquant artificiellement des antiparticules et des antiatomes avant de les étudier sous toutes les coutures (partie1). Notamment celle de la masse, une propriété qui dicte le comportement de la matière. Au Commissariat à l’énergie atomique (CEA), à Saclay, Patrice Perez participe à la préparation d’une expérience dont l’objectif est de peser des atomes d’antimatière (partie 2). Mais certaines théories exotiques prédisent que l’antimatière pourrait antigraviter, autrement dit, "antipeser"... Ce qui, sur une balance, se traduirait par un poids négatif ! Si tel est le cas, c’est toute notre vision de l’Univers qui devra être reconsidérée (partie 3).

01.Antimatière, un mystère centenaire

Paul DiracEn 1928, pour des raisons théoriques, le physicien Paul Dirac, prix Nobel de physique 1933, postule l’existence de l’antimatière. Les premiers antiélectrons sont découverts en 1932.
© AIP, Emilio Segre Visual Archives.

L’antimatière fait irruption en 1928, à une époque où les physiciens commencent à peine à découvrir les composants de la matière. Plus précisément, ils ne connaissent alors que le proton et l’électron, deux particules qui entrent dans la composition des atomes. Le physicien anglais Paul Dirac réfléchit justement à une équation décrivant les propriétés de l'électron qui soit compatible avec deux théories : la théorie de la mécanique quantique qui décrit l’infiniment petit et la relativité restreinte d’Einstein, qui décrit la structure de notre espace-temps.

Au prix d’habiles prouesses mathématiques, le futur prix Nobel parvient à ses fins. Mais à une seule condition : qu’une autre particule soit associée à l’électron. Baptisé antiélectron par le scientifique, ce nouveau corpuscule sorti tout droit d’un chapeau théorique ressemble à s’y méprendre à l’électron, si ce n’est qu’il possède une charge électrique opposée. Très attentif à la "beauté" mathématique, Dirac est enthousiasmé par la symétrie révélée par son équation entre matière et antimatière. Seul hic, personne n’a alors jamais vu ne serait-ce que l’ombre d’un antimonde. Et pour la plupart de ses confrères, l’antimatière ne peut être qu’une absurdité. Pourtant, au même moment, en Californie, le physicien Carl Anderson étudie les rayons cosmiques, des particules très énergétiques produites dans l’espace qui "bombardent" la Terre. L’expérimentateur est intrigué : son détecteur enregistre des particules semblables à l’électron, mais dont la charge électrique est opposée. Ne connaissant pas la théorie de Dirac, il les baptise positons. Sans le savoir, il vient de découvrir l’antiélectron de Dirac, soit de l’antimatière !

Collision proton-antiprotonLa collision entre un proton et un antiproton engendre une nuée de particules élémentaires dont la trajectoire est enregistrée par des détecteurs, ici dans le détecteur UA1 du Cern.
© Cern


Aujourd’hui,l’observation d’antimatière n’a plus rien d’extraordinaire. En effet, même si notre Univers est exclusivement composé de matière, il suffit de mettre suffisamment d’énergie dans un choc entre particules élémentaires pour qu’apparaissent durant une fraction de seconde quelques particules d’antimatière : antiélectrons, antiprotons, antineutrinos… Aussitôt, celles-ci se désintègrent au contact de la matière environnante. C’est ainsi que certains processus astrophysiques de haute énergie produisent des antiparticules qui parviennent jusqu’à la Terre dans le flux continu des rayons cosmiques. Et plus proche de nous, la création d’antiparticules dans les accélérateurs géants est monnaie courante.

Ces observations sont parfaitement cohérentes avec le modèle standard, établi entre 1950 et 1970 grâce auquel on décrit les interactions entre particules élémentaires. Là où le bas blesse, c’est que la symétrie entre matière et antimatière, observée à la fois dans le modèle standard et les rayons cosmiques, ne s’accorde pas vraiment avec l’Univers dans lequel nous vivons. En effet, notre Univers ne contient, pour ainsi dire, pas d’antimatière. Certes, pour être parfaitement exact, le modèle standard prévoit quelques toutes petites différences entre particules et antiparticules. Par exemple, la particule élémentaire appelée quark charmé et l’antiquark associé, deux particules très instables produites dans les accélérateurs, ne se désintègrent pas de la même façon, contrairement à ce qu'on pourrait attendre de particules parfaitement identiques. Toutefois, cette différence, infime, ne permet pas d’expliquer l’asymétrie totale qu'on observe à l’échelle cosmique : un univers composé exclusivement de matière.

02.Matière / antimatière : une différence de poids ?

Projet SELMA - CEA Saclay – Vue d'ensembleDans un hangar aux quatre vents du CEA, sur le plateau de Saclay, Patrice Perez met au point une source de positons, dissimulée sous un énorme bloc de béton (ici peint en rose) afin de contenir les radiations.
© Mathieu Grousson / Canopy

Parmi les nombreuses questions que se posent les physiciens au sujet des différences possibles entre matière et antimatière, l'une concerne la masse des antiparticules. Précisément, une particule et son antiparticule se comportent-elles de la même manière dans un champ de pesanteur ? Autrement dit, ont-elles la même masse ? Expérimentalement, personne n’a encore été capable de déposer une antiparticule sur une balance. Quant au modèle standard, il s’accommode très bien d’antiparticules "pesant" de la même façon que leurs jumelles. "Dans le cadre du modèle standard, on admet que matière et antimatière ont la même masse. Mais d’après certaines théories exotiques, l’antimatière pourrait “antipeser”. Ainsi, dans le champ de pesanteur, une “antipomme” ne tomberait pas, mais s’élèverait ! " précise Patrice Perez.

Pour trancher une seule chose à faire : déposer une antiparticule sur le plateau d’une balance et regarder le résultat. Plus facile à dire qu’à faire. L’idée actuellement poursuivie par les scientifiques consisterait à utiliser des antiatomes d’hydrogène, soit des atomes composés d’un antiproton et d’un antiélectron - un atome d’hydrogène est composé, lui, d’un proton et d’un électron. La particule négative (antiproton) et la particule positive (antiélectron) qui composent l'antihydrogène pourraient être acheminées sur le lieu de l’expérience via des champs électromagnétiques. Une fois sur place, on pourrait les assembler pour former l’antiatome. Étant électriquement neutre, celui-ci ne subirait aucune perturbation électromagnétique lors de la pesée. Sur le papier, l’expérience fonctionne. Cela fait d’ailleurs près de quinze ans que les physiciens du CERN ont créé les premiers atomes d’antihydrogène. Sauf qu’en 1995, impossible de les étudier en détail. Et pour cause, ils étaient trop peu nombreux et se déplaçaient trop rapidement.

Projet SELMA - CEA Saclay – Poste de pilotageÀ l’extérieur du bloc de béton armé, Patrice Perez pilote son expérience depuis un poste de contrôle, dans un fouillis apparent d’ordinateurs et de boîtiers électroniques.
© Mathieu Grousson / Canopy
Désormais, plusieurs laboratoires se sont lancés dans le défi. Ainsi, dans le cadre du projet SELMA, réalisé à Saclay au Commissariat à l'énergie atomique (CEA) et cofinancé par le Conseil général de l'Essonne, Patrice Perez met au point une source intense d'antiélectrons. "Nous avons acheté un petit accélérateur que nous utiliserons pour la production d'antiélectrons. Avant de trouver un appareil compatible avec nos exigences scientifiques et notre budget, nous avons presque fait le tour du monde, allant même examiner du matériel jusqu’à San Diego, en Californie. Puis nous avons finalement trouvé notre bonheur auprès de la société Linac Technologies, basée à Orsay, tout près d’ici ! Pour le reste, nous avons aussi récupéré du matériel usagé au CEA "… Comme quoi l’expérience qui révolutionnera peut-être la physique se prépare aussi avec les "moyens du bord". À terme, Patrice Perez se servira du faisceau d'antiélectrons qu'il produira pour créer des atomes d'antihydrogène en abondance et facilement manipulable. En tout cas, assez pour être pesé, c’est-à-dire simplement placés dans le champ de pesanteur terrestre afin de voir à quelle vitesse ils tombent ou… s’élèvent ! À quelle échéance ? "Nous espérons disposer d’un faisceau d'antiélectrons de bonne qualité d’ici la fin de l’année, ajoute Patrice Perez. Quant à l’expérience définitive, probable qu’il faille attendre 2012 ou 2013."

03.Des implications cosmologiques majeures

Bullet cluster, fruit de la collision entre deux galaxiesLe bullet cluster, issu de la collision entre deux amas de galaxies, est-il un point de rencontre entre matière et antimatière ? D’après une étude récente, l’antimatière dans le bullet cluster serait très minoritaire. Le mystère de l’antimatière reste donc entier.
© X-ray : Nasa/CXC/CfA/M.Markevitch et al. ; Optical : Nasa/STScI ; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.
Les résultats de Patrice Perez pourraient bien bouleverser notre vision du cosmos. Reprenons le cours de l’histoire : l’Univers s’est créé après l’explosion du big bang et continue de s’étendre, encore aujourd’hui, grâce à cette impulsion de départ. Mais une autre force, la gravité universelle, contrarie cette expansion. En effet, la gravité attire les corps célestes les uns vers les autres. Par conséquent, l’Univers ne devrait connaître que deux destinées : soit une contraction sur lui-même, ce que l’on nomme le big crunch, soit un ralentissement progressif de son expansion. Or, plusieurs observations depuis 1998 ont montré, contre toute attente, que l’expansion de l’Univers s’emballait depuis 5 à 6 milliards d’années…

Pour une majorité de scientifiques, cette accélération serait due à la présence, dans l’Univers, d’une énergie répulsive dite noire. Étant répulsive, elle s’opposerait à la gravitation attractive et accélèrerait par la même l’expansion. Sa nature est aujourd’hui totalement inconnue : l’énergie noire n’a jamais été observée ni même validée par les équations du modèle standard…
 Annihilation d'un atome d'antihydrogène Au Cern, les physiciens étudient les propriétés de l’antihydrogène dans le détecteur ATHENA. Ici, la représentation de la désintégration d’un antiatome en quatre particules appelées pions (en jaune) et en deux photons (en rouge).
© Cern

En tout cas, elle n’aurait rien à voir avec l’antimatière. Si cette hypothèse remporte aujourd’hui un large consensus, "la plupart des physiciens sont d’accord pour dire que l’énergie noire, pose d’énormes problèmes conceptuels," estime Gabriel Chardin, directeur du Centre de spectroscopie nucléaire et de spectroscopie de masse, à Orsay. En effet, l’énergie noire a été inventée "de toute pièce".

Aussi, pour le physicien, la présence d’antimatière qui antigraviterait "serait quelque chose d’assez agréable pour expliquer l’expansion accélérée de l’Univers." Car, primo l’antimatière a été observée contrairement à l’énergie noire. Deusio, elle est cohérente avec le modèle standard. Tertio, si en effet elle antigravite, elle s’oppose donc à la gravitation, autrement dit, elle repousse la matière et participe à l’accélération de l’expansion. Ce serait donc un bon candidat pour expliquer l’expansion accélérée de l’Univers. Seul problème, aucun test observationnel n’a confirmé la présence de vastes régions peuplées de galaxies d’antimatière. Mais qui sait. Si dans quelques années, le CEA montre que l’antimatière, au lieu de tomber, s’élève dans le champ de pesanteur, ne restera plus qu’à débusquer où se cache l’antimatière dans l’Univers !

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