Une expérience historique du CERN révèle : si vous laissiez tomber de l’antimatière, tomberait-elle ou remonterait-elle ?

Point de repère CERN L’expérience pourrait aider à expliquer pourquoi l’antimatière a apparemment disparu au début de l’univers.

Si vous laissiez tomber de l’antimatière, tomberait-elle ou monterait-elle ? Dans une expérience de laboratoire unique, des chercheurs ont observé le chemin descendant emprunté par des atomes individuels d’antihydrogène, apportant une réponse définitive : l’antimatière tombe.

En confirmant que l’antimatière et la matière ordinaire sont attirées par gravitation, la découverte exclut également la répulsion gravitationnelle comme raison pour laquelle l’antimatière est largement absente de l’univers observable.

Des chercheurs de la collaboration internationale ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus) du CERN en Suisse ont publié aujourd’hui leurs résultats dans la revue Natureun effort soutenu par plus d’une douzaine de pays et d’institutions privées, y compris les États-Unis dans le cadre du programme conjoint de partenariat entre la National Science Foundation des États-Unis et le Département de l’énergie pour la science et l’ingénierie fondamentales du plasma.

« Le succès de la collaboration ALPHA témoigne de l’importance du travail d’équipe à travers les continents et les communautés scientifiques », déclare Vyacheslav « Slava » Lukin, directeur de programme à la division de physique de la NSF. « Comprendre la nature de l’antimatière peut nous aider non seulement à comprendre comment notre univers a vu le jour, mais peut également permettre de nouvelles innovations jamais crues possibles auparavant – comme la tomographie par émission de positons (TEP) qui a sauvé de nombreuses vies en appliquant nos connaissances sur l’antimatière pour détecter les cancers. tumeurs dans le corps.

La collaboration Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA) est un groupe international travaillant avec des atomes d’antihydrogène au CERN, pour comprendre les symétries fondamentales entre la matière et l’antimatière. Les chercheurs ont annoncé les résultats révolutionnaires d’une expérience visant à comprendre l’effet de la gravité sur l’antimatière. Crédit : Fondation nationale américaine pour la science

Le jumeau insaisissable et volatile de la matière

Au-delà des moteurs de distorsion imaginaires alimentés par l’antimatière et photon torpilles de Star Trek, l’antimatière est tout à fait réelle, mais mystérieusement rare.

« La théorie de la relativité générale d’Einstein dit que l’antimatière devrait se comporter exactement de la même manière que la matière », a déclaré Université de Californie, Berkeley plasma Jonathan Wurtele, physicien et membre de la collaboration ALPHA. « De nombreuses mesures indirectes indiquent que la gravité interagit avec l’antimatière comme prévu », a-t-il ajouté, « mais jusqu’au résultat d’aujourd’hui, personne n’avait réellement effectué d’observation directe qui pourrait exclure, par exemple, que l’antihydrogène se déplace vers le haut plutôt que vers le bas dans un champ gravitationnel. »

Notre corps, la Terre et presque tout ce que les scientifiques connaissent dans l’univers sont constitués en grande majorité de matière ordinaire composée de protons, de neutrons et d’électrons, comme les atomes d’oxygène, de carbone, de fer et les autres éléments du tableau périodique.

L’antimatière, en revanche, est la jumelle de la matière ordinaire, bien qu’elle possède des propriétés opposées. Par exemple, les antiprotons ont une charge négative tandis que les protons ont une charge positive. Les antiélectrons (également appelés positrons) sont positifs tandis que les électrons sont négatifs.

Kevin M. Jones, responsable de programme à la Division de physique de la National Science Foundation des États-Unis et professeur émérite de physique William Edward McElfresh au Williams College, fournit une brève description de ce qu’est l’antimatière et de la valeur globale de son étude. Crédit : Fondation nationale américaine pour la science

Cependant, le plus grand défi pour les expérimentateurs est peut-être que «dès que l’antimatière touche la matière, elle explose», a déclaré Joel Fajans, membre de la collaboration ALPHA et physicien des plasmas à l’Université de Californie à Berkeley.

La masse combinée de matière et d’antimatière est entièrement transformée en énergie dans une réaction si puissante que les scientifiques la qualifient d’annihilation.

« Pour une masse donnée, de telles annihilations constituent la forme de libération d’énergie la plus dense que nous connaissions », a ajouté Fajans.

Mais la quantité d’antimatière utilisée dans l’expérience ALPHA est si petite que l’énergie créée par les annihilations antimatière/matière n’est perceptible que par les détecteurs sensibles.

« Néanmoins, nous devons manipuler l’antimatière avec beaucoup de précautions, sinon nous la perdrons », a déclaré Fajans.

Représentation conceptuelle d’un artiste des atomes d’antihydrogène contenus dans le piège magnétique de l’appareil ALPHA-g. À mesure que l’intensité du champ en haut et en bas du piège magnétique diminue, les atomes d’antihydrogène s’échappent, touchent les parois de la chambre et s’annihilent. La plupart des annihilations se produisent sous la chambre, ce qui montre que la gravité tire l’antihydrogène vers le bas. Les lignes de champ magnétique tournantes dans l’animation représentent l’influence invisible du champ magnétique sur l’antihydrogène. Le champ magnétique ne tourne pas dans l’expérience réelle. Crédit : Keyi « Onyx » Li/US National Science Foundation

Laisser tomber un banger d’antimatière

« D’une manière générale, nous produisons de l’antimatière et nous réalisons une expérience du genre Tour Penchée de Pise », a déclaré Wurtele, se référant à l’ancêtre intellectuel plus simple de leur expérience, l’expérience peut-être apocryphe de Galilée du XVIe siècle démontrant une accélération gravitationnelle identique de deux chutes simultanées. objets de volume similaire mais de masse différente. « Nous laissons partir l’antimatière et nous voyons si elle augmente ou diminue. »

Pour l’expérience ALPHA, l’antihydrogène était contenu dans une grande chambre à vide cylindrique dotée d’un piège magnétique variable, appelée ALPHA-g. Les scientifiques ont réduit la force des champs magnétiques supérieurs et inférieurs du piège jusqu’à ce que les atomes d’antihydrogène puissent s’échapper et que l’influence relativement faible de la gravité devienne évidente.

Comme chaque antihydrogène atome s’est échappé du piège magnétique, il a touché les parois de la chambre au-dessus ou au-dessous du piège et s’est annihilé, ce que les scientifiques ont pu détecter et compter.

Les chercheurs ont répété l’expérience plus d’une douzaine de fois, en faisant varier l’intensité du champ magnétique en haut et en bas du piège pour exclure d’éventuelles erreurs. Ils ont observé que lorsque les champs magnétiques affaiblis étaient précisément équilibrés en haut et en bas, environ 80 % des atomes d’antihydrogène s’anéantissaient sous le piège – un résultat cohérent avec le comportement d’un nuage d’hydrogène ordinaire dans les mêmes conditions.

Ainsi, la gravité faisait tomber l’antihydrogène.

Le mystère matière/antimatière

Malgré quelques sources modestes d’antimatière – comme les positrons émis lors de la désintégration du potassium, même dans une banane – les scientifiques n’en voient pas beaucoup dans l’univers. Cependant, les lois de la physique prédisent que l’antimatière devrait exister en quantités à peu près égales à celles de la matière ordinaire. Les scientifiques appellent cette énigme le problème de la baryogenèse.

Une explication potentielle est que l’antimatière a été repoussée gravitationnellement par la matière ordinaire au cours de la Big Bangmême si les nouvelles découvertes suggèrent que la théorie ne semble plus plausible.

« Nous avons exclu que l’antimatière soit repoussée par la force gravitationnelle plutôt que attirée », a déclaré Wurtele. Cela ne veut pas dire qu’il n’y a pas de différence dans la force gravitationnelle de l’antimatière, ajoute-t-il. Seule une mesure plus précise nous le dira.

Les chercheurs de la collaboration ALPHA continueront à sonder la nature de l’antihydrogène. En plus d’affiner leur mesure de l’effet de la gravité, ils étudient également comment l’antihydrogène interagit avec le rayonnement électromagnétique grâce à la spectroscopie.

« Si l’antihydrogène était différent de l’hydrogène, ce serait révolutionnaire car les lois physiques, tant en mécanique quantique qu’en gravité, disent que le comportement devrait être le même », a déclaré Wurtele. « Cependant, on ne le sait pas tant qu’on n’a pas fait l’expérience. »

Pour en savoir plus sur cette découverte :

• Une expérience révolutionnaire du CERN révèle l’attraction exercée par la gravité sur l’antihydrogène