Depuis que l'existence de l'antimatière a été proposée au début du 20e siècle, les scientifiques ont cherché à comprendre comment se rapporte à la matière normale, et pourquoi il existe un déséquilibre apparent entre les deux dans l'Univers. Pour ce faire, la recherche en physique des particules au cours des dernières décennies s'est concentrée sur l'anti-particule de l'atome le plus élémentaire et le plus abondant de l'Univers - la particule anti-hydrogène.
Jusqu'à récemment, cela a été très difficile, car les scientifiques ont été capables de produire de l'antihydrogène, mais incapables de l'étudier longtemps avant qu'il ne s'anéantisse. Mais selon une récente étude publiée dans La nature, une équipe utilisant l'expérience ALPHA a pu obtenir les premières informations spectrales sur l'antihydrogène. Cette réalisation, qui a duré 20 ans, pourrait ouvrir une nouvelle ère de recherche sur l'antimatière.
Mesurer la façon dont les éléments absorbent ou émettent la lumière - c'est-à-dire la spectroscopie - est un aspect majeur de la physique, de la chimie et de l'astronomie. Non seulement il permet aux scientifiques de caractériser les atomes et les molécules, mais il permet également aux astrophysiciens de déterminer la composition des étoiles éloignées en analysant le spectre de la lumière qu'elles émettent.
Dans le passé, de nombreuses études ont été menées sur le spectre de l'hydrogène, qui constitue environ 75% de toute la masse baryonique de l'Univers. Celles-ci ont joué un rôle vital dans notre compréhension de la matière, de l'énergie et de l'évolution de multiples disciplines scientifiques. Mais jusqu'à récemment, l'étude du spectre de son anti-particule était incroyablement difficile.
Pour commencer, il faut que les particules qui constituent l'antihydrogène - les antiprotons et les positrons (anti-électrons) - soient capturées et refroidies afin qu'elles puissent se réunir. De plus, il est alors nécessaire de maintenir ces particules suffisamment longtemps pour observer leur comportement, avant qu'elles n'entrent inévitablement en contact avec la matière normale et s'annihilent.
Heureusement, la technologie a progressé au cours des dernières décennies au point où la recherche sur l'antimatière est désormais possible, offrant ainsi aux scientifiques la possibilité de déduire si la physique derrière l'antimatière est compatible avec le modèle standard ou va au-delà. Comme l'équipe de recherche du CERN - dirigée par le Dr Ahmadi du Département de physique de l'Université de Liverpool - l'a indiqué dans son étude:
"Le modèle standard prédit qu'il aurait dû y avoir des quantités égales de matière et d'antimatière dans l'Univers primordial après le Big Bang, mais on observe que l'Univers d'aujourd'hui se compose presque entièrement de matière ordinaire. Cela motive les physiciens à étudier attentivement l'antimatière, pour voir s'il y a une petite asymétrie dans les lois de la physique qui régissent les deux types de matière. »
À partir de 1996, cette recherche a été menée à l'aide de l'expérience AnTiHydrogEN Apparatus (ATHENA), qui fait partie de l'installation du CERN Antiproton Decelerator. Cette expérience était responsable de la capture des antiprotons et des positons, puis de les refroidir au point où ils peuvent se combiner pour former de l'anithydrogène. Depuis 2005, cette tâche est devenue la responsabilité du successeur d’ATHENA, l’expérience ALPHA.
À l'aide d'instruments mis à jour, ALPHA capture des atomes d'antihydrogène neutre et les détient pendant une période plus longue avant qu'ils ne s'annihilent inévitablement.Pendant ce temps, les équipes de recherche effectuent une analyse spectrographique à l'aide du laser ultraviolet d'ALPHA pour voir si les atomes obéissent aux mêmes lois que les atomes d'hydrogène. Comme Jeffrey Hangst, le porte-parole de la collaboration ALPHA, l'a expliqué dans une mise à jour du CERN:
«Utiliser un laser pour observer une transition dans l'antihydrogène et le comparer à l'hydrogène pour voir s'ils obéissent aux mêmes lois de la physique a toujours été un objectif clé de la recherche sur l'antimatière… Déplacer et piéger des antiprotons ou des positrons est facile car ce sont des particules chargées. Mais lorsque vous combinez les deux, vous obtenez un antihydrogène neutre, qui est beaucoup plus difficile à piéger, nous avons donc conçu un piège magnétique très spécial qui repose sur le fait que l'antihydrogène est un peu magnétique. »
Ce faisant, l'équipe de recherche a pu mesurer la fréquence de la lumière nécessaire pour faire passer un positron de son niveau d'énergie le plus bas au suivant. Ce qu'ils ont découvert, c'est que (dans les limites expérimentales) il n'y avait pas de différence entre les données spectrales antihydrogène et celles de l'hydrogène. Ces résultats sont une première expérimentale, car ce sont les premières observations spectrales jamais faites d'un atome d'antihydrogène.
En plus de permettre des comparaisons entre la matière et l'antimatière pour la première fois, ces résultats montrent que le comportement de l'antimatière - vis-à-vis de ses caractéristiques spectrographiques - est cohérent avec le modèle standard. Plus précisément, ils sont cohérents avec ce que l'on appelle la symétrie charge-parité-temps (CPT).
Cette théorie de la symétrie, fondamentale pour la physique établie, prédit que les niveaux d'énergie dans la matière et l'antimatière seraient les mêmes. Comme l'équipe l'a expliqué dans son étude:
«Nous avons effectué la première mesure spectroscopique au laser sur un atome d'antimatière. Il s'agit depuis longtemps d'une réalisation recherchée en physique de l'antimatière à basse énergie. Il marque un tournant entre les expériences de preuve de principe et les comparaisons sérieuses de métrologie et de précision CPT utilisant le spectre optique d'un anti-atome. Le résultat actuel… démontre que les tests de symétries fondamentales avec l'antimatière à l'AD mûrissent rapidement. »
En d'autres termes, la confirmation que la matière et l'antimatière ont des caractéristiques spectrales similaires est une autre indication que le modèle standard tient le coup - tout comme la découverte du boson de Higgs en 2012. Il a également démontré l'efficacité de l'expérience ALPHA pour piéger les particules d'antimatière, ce qui bénéficiera à d'autres expériences antihydrogène.
Naturellement, les chercheurs du CERN étaient très excités par cette découverte, et elle devrait avoir des implications drastiques. Au-delà d'offrir un nouveau moyen de tester le modèle standard, il devrait également aider considérablement les scientifiques à comprendre pourquoi il existe un déséquilibre matière-antimatière dans l'Univers. Encore une autre étape cruciale pour découvrir exactement comment l'Univers tel que nous le connaissons est né.
