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Matière et antimatière

La nature aime la symétrie. Or, on ne peut rêver d'une matière moins symétrique que celle qui nous entoure ! A l'intérieur de nos atomes coexistent des protons porteurs d'une charge électrique positive +e et des électrons porteurs d'une charge égale mais négative -e. Les protons positifs sont confinés dans un minuscule noyau, alors que les électrons négatifs naviguent autour dans un espace infiniment plus vaste. Les électrons sont de véritables poids plumes comparés aux protons 1800 fois plus lourds. Le courant électrique de nos appareils et de nos lampes est un courant d'électrons, pas de protons !

Découverte de l'antimatière.

Un monde construit avec des protons négatifs et des électrons positifs serait tout aussi plausible que le notre. C'est celui de l'antimatière.

L'antiélectron - le positon - est produit dans certaines désintégrations radioactives rares appelées bêta plus. Il a été le premier à être observé en 1933 par le physicien américain Carl Anderson.

L'antiproton fut découvert à Berkeley en 1955 grâce au Bevatron, un accélérateur de protons capable de leur communiquer un énergie de plusieurs milliards d'électronvolts. L'énergie disponible lors d'une collision était supérieure à deux fois l'énergie de masse d'un proton et permettait de créer en même temps un antiproton et un proton. La découverte de l'antineutron en 1956, suivit de peu. On sait aujourd'hui que protons et neutrons sont composés de corpuscules élémentaires, les quarks. Antiprotons et antineutrons sont consitués d'antiquarks.

Tous les corpuscules élémentaires, ont leur correspondant dans l'antimatière. Par exemple, les neutrinos ont pour antiparticules, les antineutrinos. Ainsi, la radioactivité bêta génère des antineutrinos-électrons.

Une destruction mutuelle et explosive
Des antiprotons ont produits au C.E.R.N par un puissant accélérateur. Ce cliché montre le trajet d'un de ces antiprotons dans une chambre à bulles remplie d'hydrogène liquide dont les protons sont autant de cibles. Le trajet est interrompu par une collision avec un de ces protons. La collision est violente. L'antiproton et le proton se détruisent mutuellement. L'explosion génère 8 fragments, des particules éphémères appelées mésons.
IN2P3

Où est passée l'antimatière ?

Il existe une grande symétrie entre matière et antimatière. Quand un antiproton est créé, un proton ou neutron l'est aussi. Quand un noyau émet un antiélectron positif, il émet simultanément un neutrino que l'on peut assimiler à un électron sans charge électrique. En sens inverse, quand un antiproton est détruit lors d'une réaction d'annihilation, il entraine dans sa perte un proton et un neutron. De même électrons et positons s'annihilent en se détruisant mutuellement.

Si cette symétrie est parfaite, il devrait y avoir dans l'univers exactement le même nombre de particules et d'antiparticules. Or nous vivons dans un monde de particules de matière. Où sont donc passées les particules d'antimatière ?

Des quantités importantes de matière et antimatière coexisteraient difficilement au même endroit. L'annihilation d'un proton et d'un antiproton dégage neuf fois l'énergie d'une fission nucléaire. Un vaisseau spatial qui aterrirait sur une planète d'antimatière déclencherait en s'annihilant un cataclysme plus puissant que bien des bombes atomiques. Les astronomes n'observent pas de tels dégagements anormaux d'énergie. Visiblement l'antimatière a quitté notre environnement. Où est elle passée ? Aux confins lointains de l'Univers ? Si c'est le cas, sous l'effet de quelles forces ?

Des expériences en physique des particules ont monté que la symétrie n'était pas parfaite. Elles ont décelé quelques différences de comportement entre particules et antiparticules. Ces différences qui sont petites, semblent être dues aux forces, appelées faibles, et qui sont par exemple resonsables des désintégrations radioactives bêta. Peuvent-elles expliquer la disparition de l'antimatière dans notre environnement proche ?

De multiples interrogations demeurent. ? Des expériences très délicates sont en cours au CERN pour évaluer le comportement des antiatomes sous l'effet de la gravitation. Un atome d'antimatière fraîchement formé est-il attiré par le centre de la Terre comme la pomme de Newton ou bien s'en éloigne-t-il ? Sous l'effet de ces forces à longue portée, matière et antimatiére s'attirent-elles ou se repoussent-elles ?

La fabrique d'antimatière

En 1995, une expérience au CERN réussit à mettre en présence des nuages d'antiprotons et de positons et à former brièvement de premiers atomes d'antimatière, des atomes d'anti-hydrogène. Depuis, le CERN a construit un ensemble d’accélérateurs et de "décélérateurs" pour fournir aux physiciens des antiprotons dans le but de les piéger. C’est ainsi qu’en 2010 on a pu fabriquer et piéger pour la première fois des atomes d’antihydrogène. Ces antiatomes sont maintenant examinés pour voir s’ils ont les mêmes caractéristiques quantiques que les atomes d’hydrogène.

Pour pouvoir fabriquer ces antiatomes, on doit d’abord fournir aux physiciens des antiprotons lents, avec des énergies cinétiques très faibles. Les antiprotons sont fabriqués avec un accélérateur de protons de 20 GeV (giga-électronvolts, un milliard d’électronvolts) d’énergie. Ces protons interagissent sur une cible et produisent des antiprotons. Ceux-ci sont guidés, et injectés, à une énergie de 3,5 GeV, dans l’anneau décélérateur AD (pour Antiproton Decelerator), où ils sont ralentis jusqu’à 5 MeV (million d’électronvolts) et envoyés dans les zones expérimentales. Un nouvel anneau de décélération, ELENA, qui ramène les antiprotons de 5 MeV à 100 keV (kilo-électronvolts) est en cours de mise en service en 2018.

Fig. 2
Entrée du hall des expériences sur l'antimatière du Cern
CERN
Pour fabriquer des antiatomes, les antiprotons sont introduits dans des pièges électromagnétiques où des barrières du potentiel électrique d’une part, et un champ magnétique très puissant d’autre part, les empêchent de toucher les parois de l’enceinte où ils sont confinés et où l’on fait régner un vide très poussé. Des positons sont ensuite injectés dans le même piège, toujours contrôlés par des barrières de potentiel. Lorsque les barrières se rejoignent, des antiprotons peuvent capter un positon, ce qui crée un antihydrogène. Ces antiatomes, neutres, peuvent alors s’échapper pour être étudiés. On peut aussi piéger les antihydrogènes avec des champs magnétiques complexes, hexapolaires par exemple.

Les expériences en cours essaient de ralentir encore plus les antiprotons, pour obtenir des antiatomes de si faibles énergie qu’on les décrit comme « ultrafroids ». La plus ambitieuse dans ce genre, GBAR, veut les ralentir jusqu’à une énergie de 10 nanoélectronvolts (milliardième d’électronvolts)