Antimatière : « nous pouvons rêver à réaliser des choses encore plus folles »

Antimatière : « nous pouvons rêver à réaliser des choses encore plus folles »

Le CERN fou fou fou

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Sébastien Gavois

Publié dans

Sciences et espace

02/04/2021 8 minutes
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Antimatière : « nous pouvons rêver à réaliser des choses encore plus folles »

En étudiant l’antimatière, et plus particulièrement l’antihydrogène, ALPHA veut essayer d’apporter des éléments de réponse expliquant pourquoi « l’univers est uniquement constitué de matière ». Une nouvelle étape a été franchie avec le refroidissement par laser d’atomes d’antihydrogène. On vous explique en quoi c’est important.

Au CERN, le Grand collisionneur de Hadrons (LHC) se réveille doucement de son deuxième long arrêt technique… avec du retard sur le calendrier. En effet, aux dernières nouvelles la circulation des premiers faisceaux tests est prévue pour fin septembre de cette année.

Pendant ce temps, d’autres expériences se déroulent évidemment et les publications scientifiques continuent de tomber. C’est le cas de la collaboration ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus) qui travaille depuis plus de dix ans sur des atomes d’antihydrogène, « la forme d’antimatière atomique la plus simple ». Une visite virtuelle d’ALPHA est disponible par ici.

Matière vs antimatière : fight !

L’antimatière intrigue les scientifiques depuis très longtemps et plusieurs inconnues de taille restent à expliquer. En effet, aux premiers instants de la création de notre Univers – juste après le Big Bang (il y a 13,8 milliards d’années) – la matière et l’antimatière ont été « créées en quantités parfaitement égales », rappelle le CEA. Aujourd’hui, nous vivons dans un monde de matière car elle a pris le dessus sur l’antimatière. Une des questions que se posent les chercheurs est de savoir où est passée l’antimatière.

À chaque particule de matière correspond son « double » d’antimatière. Les deux particules partagent de nombreuses propriétés physiques, comme leur masse et durée de vie, mais elles diffèrent sur la charge électrique et certaines propriétés quantiques sont inversées. Lorsque de la matière rencontre son équivalent d’antimatière, les deux peuvent s'annihiler en libérant de l'énergie pure.

10 ans de « pièges » et mesures sur l’antihydrogène

En juin 2011, la collaboration ALPHA avait « réussi à piéger couramment pour une longue durée des atomes d’antihydrogène », une première étape indispensable pour étudier ces particules. Quelques mois plus tard, rebelote avec la mesure spectroscopique de l'antihydrogène, une avancée importante ouvrant « la voie à la possibilité de comparer des atomes de matière et des atomes d’antimatière ».

Pleine d’espoir, la collaboration expliquait que cela « pourrait contribuer à démêler l’un des plus grands mystères de la physique des particules et, peut-être, nous permettre de comprendre pourquoi notre Univers de matière existe ». Il restait néanmoins encore beaucoup de chemin à parcourir (spoiler alerte : c’est encore le cas aujourd’hui).

CERN Paul TRAP
Crédits : CERN

Fin 2016, la même équipe « observe pour la première fois le spectre de lumière de l’antimatière ». Mi-2017, ALPHA récidive avec « la première observation de la structure hyperfine de l’antihydrogène ». Là encore, ces découvertes ouvraient « la voie pour des analyses toujours plus détaillées de la structure de l’antihydrogène et pourraient aider à comprendre les différences qui existeraient entre matière et antimatière ».

« En exposant les antiatomes à des micro-ondes d’une fréquence précise, les scientifiques ont désormais induit des transitions hyperfines et affiné leurs mesures. L’équipe est parvenue à mesurer deux lignes spectrales de l’antihydrogène et n’a observé aucune différence en les comparant aux lignes spectrales de l’hydrogène, dans les limites de précision de l’expérience », expliquait alors ALPHA.

Les cinq derniers mots sont très importants : l’incertitude des mesures pourrait masquer une différence qui pourrait ouvrir de nouvelles perspectives pour la physique. On est un peu dans la même situation que pour vérifier le principe d'équivalence de la chute libre qui, pour rappel, affirme que « dans le vide, tous les corps tombent avec la même vitesse, quelle que soit leur masse ou leur composition ».

Des mesures sur Terre ne permettent pas de le mettre en défaut, pas plus que le satellite Microscope qui confirme l'universalité de la chute libre avec « une précision inégalée » de 14 chiffres après la virgule.  Les chercheurs veulent aller néanmoins encore plus loin pour déceler la moindre faille.

 « Les fondements du Modèle standard » sont en jeu

Début 2020, l’étau se resserrait autour de l’antimatière, avec « les premières mesures de certains effets quantiques dans la structure énergétique de l’antihydrogène ». Ces effets quantiques sont déjà connus pour la matière, mais leur étude sur l’antimatière « pourraient révéler des différences encore non observées » entre les comportements des deux (anti)jumeaux.

L’enjeu est important pour Jeffrey Hangst, porte-parole de l’expérience ALPHA : « L’observation de toute différence entre ces deux formes de matière remettrait en cause les fondements du Modèle standard de la physique des particules », excusez du peu. Ce n’était alors pas le cas puisque les « premières mesures concord[aient] avec les prédictions théoriques de ces effets dans l’hydrogène "ordinaire" ». 

La suite des événements était déjà toute tracée indiquait le porte-parole : « Notre prochaine tâche consistera à refroidir de grands échantillons d’antihydrogène au moyen de techniques ultramodernes de refroidissement au laser. Ces techniques transformeront les études sur l’antimatière et permettront des comparaisons matière-antimatière d’une précision inégalée ».

Le refroidissement de l'antimatière par laser est une réalité…

Cette semaine, la collaboration ALPHA annonce avoir « réussi un refroidissement par laser de l'antimatière ». Cette technique n’est pas nouvelle, elle a même été démontrée il y a 40 ans sur la matière ordinaire. Encore aujourd’hui, elle est largement utilisée dans de nombreux domaines de recherche.

C’est néanmoins une première pour l’antihydrogène : « C’est absolument fabuleux. Il y a une dizaine d’années, le refroidissement par laser de l’antimatière semblait relever de la science-fiction », s’exclame le porte-parole d’ ALPHA. Ces recherches font l’objet d’une publication dans la revue Nature.

Nature ALPHA
Crédits : CERN

Un sentiment partagé par Makoto Fujiwara, présenté par le CERN comme « le premier à avoir défendu l’idée d’utiliser un laser pulsé pour refroidir l’antihydrogène piégé » : « Par le passé, les chercheurs ont eu du mal à refroidir l’hydrogène ordinaire par laser. Arriver à ce résultat avec l’antihydrogène, c’était ce dont nous rêvions depuis des années […] À présent, nous pouvons rêver à réaliser des choses encore plus folles avec l’antimatière ».

… et il améliore la précision des mesures.

Les chercheurs ont ainsi exposé pendant plusieurs heures des atomes piégés et ils ont observé « une diminution supérieure à un facteur 10 de l’énergie cinétique médiane des atomes, une grande quantité d’antiatomes atteignant des énergies inférieures à un microélectronvolt (l’équivalent en température étant environ 0,012 degré au-dessus du zéro absolu) ».

Une fois que les antiatomes étaient refroidis, les scientifiques ont cherché à mesurer l’incidence que cela implique lors d’une mesure spectroscopique. On vous passe les détails de l’expérience, qui ne sont pas nécessaires pour comprendre la conclusion : « Ils ont alors observé une raie spectrale plus étroite, à savoir quatre fois plus étroite que celle observée sans refroidissement au laser ». La précision est donc largement améliorée, ce qui était le but pour trouver d’éventuelles différences entre la matière et l’antimatière.

À la conquête de l’« asymétrie matière-antimatière »

Cette nouvelle étape de refroidissement par laser pave la voie à des « mesures bien plus précises de la structure interne de l’antihydrogène et de son comportement sous l’influence de la gravité ». Le but du jeu est toujours le même : essayer de déceler la moindre variation entre les mesures sur l’antihydrogène et les propriétés de l’hydrogène qui, elles, sont bien connues.

Si les scientifiques parvenaient à détecter la moindre différence, cela ouvrirait alors une brèche qui pourrait « nous renseigner sur la raison pour laquelle l’univers est uniquement constitué de matière – phénomène connu sous le nom d’"asymétrie matière-antimatière" ».

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Écrit par Sébastien Gavois

Tiens, en parlant de ça :

Sommaire de l'article

Introduction

Matière vs antimatière : fight !

10 ans de « pièges » et mesures sur l’antihydrogène

 « Les fondements du Modèle standard » sont en jeu

Le refroidissement de l'antimatière par laser est une réalité…

… et il améliore la précision des mesures.

À la conquête de l’« asymétrie matière-antimatière »

Le brief de ce matin n'est pas encore là

Partez acheter vos croissants
Et faites chauffer votre bouilloire,
Le brief arrive dans un instant,
Tout frais du matin, gardez espoir.

Commentaires (32)


C’est normal que je sois Hypé à la suite de cet article alors que, fondamentalement, cela ne changera rien à ma vie ? :‘)


Vu que je suis dans le même cas, je dirais que, pour nous Geek et Nerds, oui : C’est normal ^^.


mélange du sujet et de la façon d’en parler au milieu des articles sur le système solaire et le reste, ça me fait pareil :)


J’ai toujours été fasciné par la recherche scientifique et ces articles sont un vrai bonheur. Merci.
(Une triste pensée pour feu Science & Vie)


J’ai loupé un truc, ils sont officiellement morts? Je sais qu’ils ont été rachetés par Reworld, mais aux dernières nouvelles, le magazine papier tenait encore debout, je l’achète même encore de temps en temps et a priori ça n’est pas encore devenu “Ça m’intéresse”… Bon, par contre, le site web, c’est pas la peine, c’est du grand n’imp maintenant.


eb303

J’ai loupé un truc, ils sont officiellement morts? Je sais qu’ils ont été rachetés par Reworld, mais aux dernières nouvelles, le magazine papier tenait encore debout, je l’achète même encore de temps en temps et a priori ça n’est pas encore devenu “Ça m’intéresse”… Bon, par contre, le site web, c’est pas la peine, c’est du grand n’imp maintenant.


Il me semble que le reste de journalistes scientifique qu’il restait a démissionné récemment.



C’est plus devenu un magazine de voiture que de science depuis quelques temps de toutes façons (une page sur 2 est une page de pub de SUV …)


eb303

J’ai loupé un truc, ils sont officiellement morts? Je sais qu’ils ont été rachetés par Reworld, mais aux dernières nouvelles, le magazine papier tenait encore debout, je l’achète même encore de temps en temps et a priori ça n’est pas encore devenu “Ça m’intéresse”… Bon, par contre, le site web, c’est pas la peine, c’est du grand n’imp maintenant.


Les derniers journalistes sont partis cette semaine…



Inny a dit:


(Une triste pensée pour feu Science & Vie)




et feue La Recherche…


Il manque un truc ici => le nom habituel de l’anti-hydrogène .



Car la vidéo explicative utilise un P barré => antiProton ;-)


Si j’ai bien suivi, l’anti-proton devient un anti-hydrogène quand on lui ajoute un électron positif (e⁺) (ou positron) :)


Merci beaucoup pour ce super article détaillé !! C’est totalement fou et impressionnant !



Cqoicebordel a dit:


Si j’ai bien suivi, l’anti-proton devient un anti-hydrogène quand on lui ajoute un électron positif (e⁺) (ou positron) :)




Hydrogène ou proton , c’est la même chose => un proton c’est de l’hydrogène sans un électron, on dit je crois qu’il est ionisé.


La recherche expliquée ici m’impressionne même si j’y comprend


Merci pour cet article intéressant !


Ce genre d article devrait être gratuit pour les internautes mais finance par l état pour instruire nos concitoyens ! Félicitations au rédacteur !



Lorsque de la matière rencontre son équivalent d’antimatière, les deux peuvent s’annihiler en libérant de l’énergie pure.




Justement, ne pourrait-on pas imaginer qu’au début de l’univers il y ait eu deux vagues de création de matière depuis la singularité initiale (= deux Bangs) :




  • Une première vague comprenant exactement autant de matière que d’anti-matière : boum, les deux s’annihilent, kaput, plus rien. (…sauf de l’énergie, qui servirait de carburant pour ce qui va suivre)



  • Suivie, après un délai à calculer, d’une deuxième vague, mais avec une différence importante : entre les deux vagues, la singularité a évolué de telle façon qu’elle n’est plus capable de créer que de rares particules d’anti-matière, le reste (99,99 %) n’étant constitué que de matière.




Autre hypothèse (très hasardeuse) : La matière noire aurait-elle pu jouer un rôle dans ce déséquilibre fondamental matière-antimatière, allant jusqu’à remplacer l’anti-matière ?



…Et l’énergie noire ?



(reply:1865290:DantonQ-Robespierre)




On a déjà montré une asymétrie temporelle sur les Kaons. Il y aurait donc statistiquement plus rapidement de la matière que de l’anti-matière par extrapolation.



L’energie noire pourrait aussi être une forme d’inertie.


Il y a aussi d’autres hypothèses. Il existe vraisemblablement des galaxies et amas de galaxies composés d’antimatière et non de matière.



Aujourd’hui, on ne sait pas détecter, en observant une étoile par exemple, si elle est faite de matière ou d’antimatière. On sait détecter les collisions matière/antimatière via les particules émises, mais pour une étoile par exemple, pas la nature de la matière la constituant, pour la simple et bonne raison que les photons sont émis aussi bien par la matière que l’antimatière, et nous n’avons pas encore suffisamment de recul pour savoir s’il y a une différence au niveau de l’émission des photons, entre, par exemple, un atome d’hydrogène et un atome d’antihydrogène. L’expérience menée au CERN permettra peut être d’apporter une réponse à cette question.



Autours de nous, comme nous sommes constitués de matières, nous sommes entourés de matière (sinon, nous le verrions via les annihilations !). Mais rien ne permet d’indiquer que des amas de galaxies lointains soient constitués de matière ou d’antimatière. Et rien n’indique non plus ce qui est contenu dans l’univers non observable (car il ne faut pas oublier, une large partie de l’univers est hors de notre porté !), sans oublier non plus que l’univers lointain observé l’est à la fois dans l’espace ET dans le temps.



Bref, peut être auront nous des réponses à certaines questions. Reste à savoir si ces réponses ne soulèveraient pas de nouvelles questions encore plus passionnantes :)



J’aime bien ton approche. On pourrait même imaginer que se soient produites des collisions entre amas de matière et d’anti-matière il y a quelques milliards d’années, et qu’un jour la lumière de ces phénomènes nous parvienne enfin…



:eeek2:



Note pour plus tard : investir dans les fabricants de lunettes de soleil :8


Et sans oublier que, depuis Hawking, on sait que le « vide » possède assez d’énergie pour générer spontanément des particules et antiparticules. Étant proches, elles s’annihilent immédiatement, mais imaginons qu’on soit aux abords de l’horizon des événements d’un trou noir : une particule de matière peut apparaître hors de cet horizon, et l’antiparticule dedans. L’antiparticule est « perdue » pour l’Univers (puisque rien ne peut sortir de l’horizon d’un trou noir) ; mais la particule, elle, est libre et peut perdurer. Dans le même temps, de l’énergie aura été soustraite au trou noir, qui, à force de voir le processus se répéter, finira à terme par s’évaporer (dans un délai qui dépend de sa masse, mais peut quand même se compter en milliards de milliards d’années pour les plus massifs).



Bien sûr, l’exemple marche aussi quand c’est l’antiparticule qui « survit ».


Un point que je ne comprends pas bien, mais c’est sans doute parce-que ma connaissance de la Relativité Restreinte est plutôt basique :




Lorsque de la matière rencontre son équivalent d’antimatière, les deux peuvent s’annihiler en libérant de l’énergie pure.




Si mes souvenirs sont bons, il y a une équivalence entre la masse et l’énergie. Donc cette “énergie pure” est une masse. Mais une masse de quoi…?


bonjour,
Sans condescendance, vous répondez vous-même à la réponse.
C’est de l’énergie pure donc 100% énergie et 0 de masse.


RuMaRoCO

bonjour,
Sans condescendance, vous répondez vous-même à la réponse.
C’est de l’énergie pure donc 100% énergie et 0 de masse.

On parle bien de E=mc² ?



Si m=0, comment E peut-il être différent de 0 ?


gnuraph

On parle bien de E=mc² ?



Si m=0, comment E peut-il être différent de 0 ?


Parce que c’est une formule “simplifiée”(pour une particule au repos, donc pas le photon qui n’est jamais au repos, mais toujours à C) ^^ . m est la masse, mais si l’objet a une vitesse, il a une masse inertielle, la vrai formule est plutôt: E = mc2 + pc (p = quantité de mouvement)
Et donc pour une masse nulle E = pc



(qu’on m’arrête si je dis n’importe quoi, je ne suis pas un expert :transpi: )


gnuraph

On parle bien de E=mc² ?



Si m=0, comment E peut-il être différent de 0 ?


Sans parler de la quantité de mouvement citée par eglyn (qui aborde un autre aspect je pense), c’est une équivalence masse-énergie pas une égalité. C’est à dire, quelle énergie il est possible théoriquement de produire en « annihilant » la matière, et inversement quelle énergie il faudrait au minimum pour créer telle masse de matière.
Donc pas une égalité « j’ai tant de matière donc j’ai tant d’énergie », mais une équivalence pour passer d’une forme (énergie) à une autre (matière).




https://fr.wikipedia.org/wiki/E%3Dmc2#Cas_d’une_particule_de_masse_nulle">E²=m²c⁴+p²c²



:cap:


Mihashi

Sans parler de la quantité de mouvement citée par eglyn (qui aborde un autre aspect je pense), c’est une équivalence masse-énergie pas une égalité. C’est à dire, quelle énergie il est possible théoriquement de produire en « annihilant » la matière, et inversement quelle énergie il faudrait au minimum pour créer telle masse de matière.
Donc pas une égalité « j’ai tant de matière donc j’ai tant d’énergie », mais une équivalence pour passer d’une forme (énergie) à une autre (matière).




https://fr.wikipedia.org/wiki/E%3Dmc2#Cas_d’une_particule_de_masse_nulle">E²=m²c⁴+p²c²



:cap:


Oui, bon, j’ai viré tous les carré j’avoue c’était moche à taper sur le tel :transpi:


eglyn

Oui, bon, j’ai viré tous les carré j’avoue c’était moche à taper sur le tel :transpi:


Ouais, mais avec le petit + entre les deux, ça change pas mal de chose si un des deux côté n’est pas nul :transpi:


L’énergie de la particule et de l’antiparticule est convertie en une autre forme d’énergie. La notion d’énergie “pure” employée dans l’article n’a pas de sens (pour autant que je sache…).



Si on prends le cas le plus simple d’une annihilation électron/positon (l’anti-électron) au repos. La seule énergie présente est leur énergie de masse (ils sont au repos), ils pèsent chacun de l’ordre de 10^-30 kg, soit environ 511 keV (le keV est une unité d’énergie). Il en résulte l’émission de deux photons, sans masse, dont l’énergie cinétique totale vaut 1022 keV (511+511) (pour une sombre histoire de conservation de l’impulsion, les deux photons se partagent cette énergie à parts égales et partent dans des directions opposées mais c’est hors sujet). Dans ce cas précis, une énergie de masse (masse de l’électron et du positon au repos) est convertie en énergie cinétique (et en zéro énergie de masse). Dans le cas générale, l’annihilation peut conduire à de l’énergie de masse, ce n’est pas interdit.



(j’espère ne pas avoir dit trop de bêtises, je n’ai pas révisé la théorie depuis un moment ^^’ )


Vezar

L’énergie de la particule et de l’antiparticule est convertie en une autre forme d’énergie. La notion d’énergie “pure” employée dans l’article n’a pas de sens (pour autant que je sache…).



Si on prends le cas le plus simple d’une annihilation électron/positon (l’anti-électron) au repos. La seule énergie présente est leur énergie de masse (ils sont au repos), ils pèsent chacun de l’ordre de 10^-30 kg, soit environ 511 keV (le keV est une unité d’énergie). Il en résulte l’émission de deux photons, sans masse, dont l’énergie cinétique totale vaut 1022 keV (511+511) (pour une sombre histoire de conservation de l’impulsion, les deux photons se partagent cette énergie à parts égales et partent dans des directions opposées mais c’est hors sujet). Dans ce cas précis, une énergie de masse (masse de l’électron et du positon au repos) est convertie en énergie cinétique (et en zéro énergie de masse). Dans le cas générale, l’annihilation peut conduire à de l’énergie de masse, ce n’est pas interdit.



(j’espère ne pas avoir dit trop de bêtises, je n’ai pas révisé la théorie depuis un moment ^^’ )


:chinois:



(quote:1865362:Trit’)
Et sans oublier que, depuis Hawking, on sait que le « vide » possède assez d’énergie pour générer spontanément des particules et antiparticules. Étant proches, elles s’annihilent immédiatement, mais imaginons qu’on soit aux abords de l’horizon des événements d’un trou noir : une particule de matière peut apparaître hors de cet horizon, et l’antiparticule dedans. L’antiparticule est « perdue » pour l’Univers (puisque rien ne peut sortir de l’horizon d’un trou noir) ; mais la particule, elle, est libre et peut perdurer. Dans le même temps, de l’énergie aura été soustraite au trou noir, qui, à force de voir le processus se répéter, finira à terme par s’évaporer (dans un délai qui dépend de sa masse, mais peut quand même se compter en milliards de milliards d’années pour les plus massifs).



Bien sûr, l’exemple marche aussi quand c’est l’antiparticule qui « survit ».




Avec un point pas encore résolu : certains trous noirs auraient une espérance de vie supérieur à celle théorique de l’Univers :D



linkin623 a dit:


Il manque un truc ici => le nom habituel de l’anti-hydrogène .



Car la vidéo explicative utilise un P barré => antiProton ;-)




Le noyau d’hydrogène étant un proton tout seul, si je me souviens bien, il parait logique que le noyau d’anti-hydrogène puisse être représenté par un anti-proton, non ?



Ce que je n’ai pas compris, c’est si on parle d’anti-hydrogène avec ses positons ou juste d’ions. Car je n’arrive pas à imaginer comment confiner des (anti)atomes neutres avec un champ magnétique.



Qui saurait m’expliquer ça ?



anagrys a dit:


Un point que je ne comprends pas bien, mais c’est sans doute parce-que ma connaissance de la Relativité Restreinte est plutôt basique :



Si mes souvenirs sont bons, il y a une équivalence entre la masse et l’énergie. Donc cette “énergie pure” est une masse. Mais une masse de quoi…?




Ce que j’en retiens, c’est que masse et énergie sont la même chose, observée dans des référentiels différents. Il faut se rappeler que le référentiel est en 4D (espace-temps)