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CERN (Francais) | Geneva | Switzerland

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Scotty, anti-faisceau!

Tandis que le complexe des accélérateurs du  CERN était à l’arrêt en 2013, l’expérience ASACUSA en a profité pour soigneusement analyser les données prises en 2012 au Décélérateur d’antiprotons (AD). Ce travail minutieux leur a permis d’annoncer dans la revue Nature la toute première production d’un faisceau d’antihydrogène.

Dans les expériences de laboratoire comme celles du CERN, la matière et l’antimatière sont toujours créées en quantités égales. La théorie du Big Bang prévoit que des quantités égales de matière et d’antimatière existaient à l’origine de l’Univers. Cependant, de nos jours, il ne reste aucune trace de cette antimatière “primordiale”. Qu’est-il arrivé à toute l’antimatière qui se trouvait dans l’Univers ?

Pour répondre à cette question, le CERN a un vaste programme d’étude de l’antimatière en cours au AD. On veut vérifier si l’antimatière a les mêmes propriétés que la matière. Une des façons de procéder est de comparer des atomes d’antihydrogène avec des atomes d’hydrogène. On choisit l’hydrogène puisque c’est le plus simple de tous les atomes, avec seulement un électron orbitant autour d’un unique proton.

Les atomes d’antihydrogène sont la réplique des atomes d’hydrogène, mais avec un antiélectron – appelé positron – et un antiproton remplaçant l’électron et le proton des atomes normaux.

Toute matière émet de la lumière quand elle est excitée. C’est ce qui se passe quand on chauffe une pièce métallique. La lumière émise est comme la signature de chaque atome. Par exemple, l’hydrogène émet ou absorbe de la lumière d’une fréquence spécifique quand un électron saute d’un niveau d’énergie à un autre. Il existe aussi “une structure hyperfine ” correspondant aux interactions magnétiques entre le noyau et l’électron.

L’expérience ASACUSA a pour but de vérifier la structure hyperfine de l’antihydrogène. Ceci se fait en observant quelles  fréquences les atomes d’antihydrogène peuvent absorber.

asacusa-realL’expérience ASACUSA au CERN (Photo: Yasunori Yamakazi )

Voici ce qu’ASACUSA a réussi: l’équipe a d’abord produit des atomes d’antihydrogène en ralentissant des antiprotons à très basse température. Puis on a mélangé ces antiprotons avec des positrons pour les combiner à l’aide d’un champ magnétique fort et non-uniforme. Ce champ est nécessaire pour éviter que les antiprotons et les positrons n’entre en contact avec de la matière. Cela causerait leur annihilation immédiate et empêcherait la formation d’atomes d’antihydrogène.

Puis il a fallu déplacer les atomes d’antihydrogène en dehors de ce champ pour pouvoir étudier leur structure hyperfine. Autrement, le fort champ magnétique masquerait les effets minuscules produits par l’interaction magnétique entre l’antiproton et le positron à l’origine de la structure hyperfine.

Mais comme les atomes sont neutres, ils ne peuvent pas être contrôlés par des champs électriques. Cependant, un atome d’antihydrogène ressemble à un minuscule aimant. Les scientifiques ont donc manipulé ces aimants microscopiques en utilisant un champ magnétique non-uniforme, et créé un faisceau d’atomes d’antihydrogène.  Ce faisceau a ensuite été dirigé vers un détecteur situé après une cavité à micro-ondes et un aimant sextupole.

L’aimant sextupole focalise ou défocalise les atomes d’antihydrogène sur le détecteur, dépendamment de l’orientation de leurs minuscules aimants.

ASACUSA

L’expérience ASACUSA. De gauche à droite : les aimants (en gris) utilisés pour  produire les atomes d’antihydrogène, la cavité à micro-ondes (en vert) qui induit des transitions hyperfines, l’aimant sextupole de focalisation (en rouge et gris) et le détecteur à antihydrogène (en jaune). Crédit : Stefan Meyer Institute.

Le détecteur compte le nombre d’atomes d’antihydrogène qui l’atteignent après avoir traversé une cavité à micro-ondes. Cette cavité était éteinte en 2012, mais sera allumée à l’avenir. Les atomes d’antihydrogène absorberont alors seulement les photons micro-ondes ayant exactement l’énergie correspondant aux transitions de la structure hyperfine. L’absorption d’un photon changera la trajectoire de l’atome d’antihydrogène dans l’aimant sextupole et donc réduira le nombre d’atomes d’antihydrogène atteignant le détecteur.

En comptant combien d’atomes d’antihydrogène atteignent le détecteur lorsque la cavité à micro-ondes émettra des photons de fréquences spécifiques, les scientifiques détermineront quelles sont les fréquences de la structure hyperfine.

ASACUSA a maintenant la preuve que 80 atomes d’antihydrogène ont atteint  le détecteur. La prochaine étape consistera à déterminer si moins d’antiatomes seront observés lorsque la cavité à micro-ondes sera allumée à la bonne fréquence.

Nous saurons alors si l’antihydrogène est exactement l’image inversée de l’hydrogène. Ceci révélera si l’antimatière diffère de la matière et pourrait expliquer pourquoi elle est complètement disparue de l’Univers.

Pauline Gagnon

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8 Responses to “Scotty, anti-faisceau!”

  1. Victor Chaptal says:

    Excellent article, d’un immense intérêt !
    Merci.
    Victor

  2. Fermin Saez Soler says:

    Comment crée t’on antihydrogène? c’est un effet tunnel. Ou le changement de phase. Et la gravité?
    [l’hydrogène émet ou absorbe de la lumière]
    [un électron saute d’un niveau d’énergie à un autre. Il existe aussi “une structure hyperfine ” correspondant aux interactions magnétiques entre le noyau et l’électron.]

    • CERN (Francais) says:

      Bonjour Firmin,
      pas du tout. On crée l’antihydrogène comme je le décris dans l’article: en combinant un antiproton très lent avec un positron. C’est tout. Il faut bien ralentir les antiprotons pour leur donner une chance de capturer un positron.

      Bonne journée, Pauline

  3. nicolas says:

    Bonjour Pauline, bravo pour cette belle explication…
    Serait il possible que dans l’univers tout puissant se cache des amas d’antimatière? Si elle a les mêmes caractéristiques que la matière alors l’antimatière ne pourrait elle pas être un bout de notre espace que vous n’observez que par des rayonnements?? Si la gravité est la même? Si les lois de la cinétique sont conservées, celles de la charge aussi, alors qu’est ce qui vous fait croire que ce que vous voyez n’est pas de l’antimatière???

    • CERN (Francais) says:

      Bonjour Nicolas,
      s’il y avait de l’antimatière dans l’Univers, elle s’annihilerait au contact avec la matière et on en verrait le rayonnement qui en émanerait. Je ne suis pas astrophysicienne, et ne peux vous répondre dans les détails. Par contre, je sais que dans les rayons cosmiques, on ne mesure que très peu de positrons (des antiélectrons). Le fait justement qu’on en mesure un peu plus que ce à quoi on s’attendait laisse supposer une source autre que ce qui est actuellement compris, comme par exemple, de la matière sombre qui s’annihilerait. Cette hypothèse est en cours de vérification. Il y a des sources d’antimatière connue (des annihilation de rayons gamma produisent des paires d’électrons et positrons) mais c’est limité. Donc à ce jour, on ne trouve que très, très peu d’antimatière dans l’Univers alors qu’il devrait y en avoir autant que de la matière. Ça s’est dur à cacher, même dans un recoin de l’Univers…

      Mon collègue Alexandre Arbey qui est cosmologue rajoute ceci:
      Observationnellement parlant, il pourrait en effet y avoir des poches. Mais ca souleve deux questions :

      – comment se ferait-il que jamais aucune matiere ne vienne interagir avec l’antimatiere sachant que la gravite les attire ? Si ce genre d’interaction avait lieu, on devrait le voir en rayonnement gamma, au moins de temps en temps

      – comment des grumeaux d’antimatiere auraient-ils survecu a la formation des galaxies, sachant que les galaxies accretent tout ce qui est proche d’elles ? Quand on met des grumeaux dans les simulations cosmologiques, ils ne vivent pas longtemps…

      Donc ca n’a pas l’air du tout evident que ce genre de grumeaux puisse exister, il faudrait un mecanisme pas tres naturel.

      Pauline

  4. nicolas says:

    Merci pour votre explication mais sachant que l’espace à tendance à se dilater on peu être en droit de penser que certaines zones sont antimaterielles, question de croyance je pense…

    • CERN (Francais) says:

      Oui, l’Univers est en expansion mais cela ne fera jamais surgir de nouveaux espaces remplis d’antimatière. Il faut qu’elle y soit déjà maintenant. Imaginez simplement un ballon qu’on gonfle. Oui, il prend plus de volume mais vous attendriez vous à ce qu’une bulle d’antimatière y apparaisse? Non, évidemment pas. Ce n’est pas logique. Mais il pourrait y en avoir déjà aujourd’hui mais pouruoi n’en voit-on aucun signe? C’est là le problème.

      Pauline

    • nicolas says:

      Le combat matière antimatière date je ne vois pas pourquoi l’antimatière n’aurais pas pu gagner sa place comme la matière dans votre ballon, si l’univers est rond ou platement en disque et que chaque particule a été évacué de son centre vers l’extérieur alors par symétrie on peu penser que l’antimatière a gagner de l’autre coté mais qu’elle ne risque plus de rencontrer de matière vu qu’elle file a plusieurs de milliers de km/s à l’opposé de la matière…

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