Antihydrogène

De l’antihydrogène capturée pour la première fois !

 Mercredi, 24 novembre 2010 |  Tags: actualite, physique | Catégorie: Scientifiction |  Guillaume |  8 commentaires
Parmi toutes les sources d’énergie futuristes, l’antimatière s’est taillée une image de vedette dans l’opinion publique. Ce statut de star est certainement lié au film Anges et Démons, dans lequel une bombe d’antihydrogène (l’équivalent de l’hydrogène en antimatière) menace d’exploser sous la Basilique Saint Pierre de Rome.

L’antimatière est connue depuis les prédictions de Paul Dirac, en 1931, et fut mise en évidence pour la première fois en 1955 par la production d’antiprotons (Emilio Segre et Owen Chamberlain, PN de Physique 1959). Les chercheurs du CERN étaient parvenus en 2002 à produire de l’antihydrogène, mais sans jamais pouvoir stocker ces atomes. Comment confiner une entité s’annihilant automatiquement au contact de la matière ? Le problème n’est pas simple à résoudre mais sollicite de nombreux physiciens. Car sa résolution permettrait d’envisager de nouveaux tests de la symétrie CPT (charge / parité / temps), théorie devenue incontournable en physique moderne des particules.

A la fin de l’été dernier, les physiciens du CERN sont enfin parvenus à piéger pour la première fois de l’antihydrogène. Cet exploit remarquable est couronné, comme il se doit, d’une publication dans la prestigieuse revue Nature.

Une fabrication artisanale d’antihydrogène

Avant toute chose, il a fallu fabriquer cet antihydrogène en laboratoire. Dans notre univers, l’hydrogène se compose d’un proton et d’un électron. Retranscrit en antimatière, cela nous donne un antiproton et un positron. Ces deux antiparticules peuvent être produites, il ne reste plus qu’à les mettre en contact pour les fusionner. Les chercheurs ont utilisé dans ce but un appareillage spécialement conçu à cet effet, l’ALPHA (Antihydrogen Laser PHysics Apparatus). Dans un cylindre magnétique, ils ont injecté à une extrémité un nuage d’antiprotons et un nuage équivalent de positrons à l’autre extrémité. Ces antiprotons sont produits et capturés par l’Antiproton Decelerator du CERN, tandis que les positrons proviennent de la désintégration d’éléments radioactifs comme le 22Na. Les deux nuages d’antiparticules sont alors comprimés et mises en contact dans l’ALPHA, afin de synthétiser de l’antihydrogène.


L'appareillage APHA (a) et diagramme du potentiel électrique dans la région-piège du dispositif (b). Crédits : Nature
Le résultat est plutôt encourageant. Entre août et septembre 2010, l’équipe a ainsi détecté un atome d’antihydrogène produit par ALPHA lors de 38 des 225 cycles d’injection d’antiprotons. Compte-tenu de l’efficacité de leur détecteur (~50%), les chercheurs estiment avoir capturé près de 80 atomes d’antihydrogène sur des millions produits.

Comment capturer de l’antimatière ?

Piéger de l’antihydrogène n’est pas chose aisée. Cet atome ne possède pas de charge électrique et les systèmes classiques de piégeage de particules chargées par des lignes de champs magnétiques se révèlent donc inefficaces. Pour résoudre ce problème, les physiciens se sont appuyés sur le minuscule moment magnétique de l’antihydrogène afin de le piéger au cœur d’un champ magnétique dit « miroir ». Le moment magnétique étant très faible, il est donc nécessaire de refroidir l’antimatière à 0,5 Kelvins, une température à peine supérieure au zéro absolu.

Le piègeage magnétique est compris dans l’appareillage ALPHA, qui est également doté d’une cage magnétique repoussant les anti-particules au centre de la trappe. Pour créer un tel champ magnétique, il a fallu concevoir un aimant superconducteur en octupôle, développé en partenariat avec l’Université de Berkeley. L’appareil ALPHA permet donc de produire et de capturer de l’antimatière. Mais ses exploits restent encore modestes ! Pour le moment, les atomes d’antihydrogène sont piégés au moins 172 millisecondes. Juste assez de temps pour confirmer ce résultat. Inutile de préciser que ce procédé ne permettra pas de stocker durablement des masses conséquentes d’antimatière !

Et tout ceci… Pour quoi faire ?

La physique des particules reste encore un domaine récent, dans lequel beaucoup de théories attendent d’être testées expérimentalement. L’antimatière n’échappe pas à ce constat. Les premiers chercheurs s’étant penchés sur la question ne voyaient aucune raison pour laquelle les antiparticules ne suivraient pas les mêmes lois physiques. Mais durant les années 60, la découverte de particules subatomiques n’existant qu’en violation de la symétrie CP vient bousculer ces certitudes. Avec la production et le stockage d’antiparticules, la symétrie CPT va pouvoir être testée de manière inédite. Des antiparticules violent certainement la symétrie CP, mais devraient tout de même respecter de manière cohérente la symétrie CPT. Si ce n’était pas le cas, il faudrait alors retravailler les modèles théoriques en conséquence. De plus, si une antiparticule se comporte de manière inversée dans la symétrie CPT, il y a quelque chose de conceptuellement excitant à l’idée qu’elle puisse alors « remonter le temps » T ! Ces travaux représentent l’objectif majeur de l’expérience ALPHA du CERN.

L’antimatière fait également rêver les chercheurs et amateurs de science-fiction, en raison de ses réactions d’annihilation avec la matière hautement énergétiques. La question technique du stockage de l’antimatière est encore loin d’être résolue, mais ces découvertes fondamentales permettent d’approcher un peu plus ce rêve. Et qui sait ? Un jour prochain, l’homme utilisera peut-être l’antimatière comme source d’énergie. Pour le meilleur comme pour le pire.