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    Où est passée l'antimatière ?  
    noAuteur - Science et astronomie, no. 3 - 2012-12-01      
    Au moment du big bang se sont créées autant de particules de matière que de particules d'antimatière.
Une partie des premières est restée et forme la matière du cosmos, tandis que les autres semblent s'être toutes annihilées.
Les cosmologistes enquêtent sur cette disparition mystérieuse.
 
    En 1928, le physicien et mathématicien britannique Paul Dirac n'a que 26 ans. Ce garçon brillant met au point cette année-là une équation qui décrit le comportement de certaines particules élémentaires comme les électrons et qui lui vaut le prix Nobel de physique en 1933. Il faut un peu de temps à Paul Dirac pour s'en apercevoir, mais sa formule admet des solutions qui vont contre le sens commun et contre la physique traditionnelle. En effet, en plus de l'électron "classique", elle prévoit un électron doté d'une charge électrique opposée, un "antiélectron" en quelque sorte. Plus généralement, chaque particule élémentaire dotée d'une charge électrique doit avoir son double, son antiparticule, qui lui ressemble en tout point si ce n'est que sa charge est inversée. Les particules neutres sont leur propre antiparticule.  
   

Quand matière et antimatière se rencontrent, elles s'annihilent et se transforment intégralement en énergie

 
    L'antimatière fait donc son entrée dans la science par la porte de la théorie. Mais l'observation des premières antiparticules ne va pas se faire attendre longtemps. En 1932, le physicien américain Carl Anderson, qui étudie les rayons cosmiques des particules à très haute énergie circulant dans le vide interstellaire, détecte les traces de particules étranges, ayant la même masse que des électrons, mais une charge opposée. Ce sont les antiélectrons prédits par Paul Dirac, qui seront rebaptisés "positons", car ils sont porteurs d'une charge électrique positive, contrairement à l'électron qui a une charge négative. Anderson reçoit à son tour le prix Nobel de physique en 1936. Les autres composants de l'atome, qui sont les neutrons et les protons, sont en réalité l'agrégation de trois particules encore plus petites: les quarks. Mais comme les antiquarks existent, en s'agglutinant ils forment des antiprotons et des antineutrons. Ceux-ci ont été découverts respectivement en 1955 et 1956, des trouvailles qui valurent à chaque fois un prix Nobel de physique à leurs auteurs.  
   

Un milliardième en plus

 
    Dans notre Univers, l'antimatière est une denrée extrêmement rare, ce qui pose un problème de taille aux cosmologistes. En effet, ces chercheurs partent du principe qu'il y a 13,7 milliards d'années, juste après le big bang, l'Univers naissant ressemblait à un grand bain très chaud comptant autant de particules de matière que de particules d'antimatière. Or, lorsque les deux se rencontrent, elles ne se supportent pas, s'annihilent et, en application de l'équation célèbre E=mc2, se transforment en énergie. Un quart de gramme d'antimatière équivaut à la bombe atomique d'Hiroshima... Par conséquent, peu après le big bang, toute la matière aurait dû disparaître au contact de l'antimatière, ce qui aurait laissé un cosmos plein d'énergie et de lumière, mais dénué d'éléments chimiques, de galaxies, d'étoiles et de planètes. Or ce n'est pas le cas. Les astrophysiciens ont calculé qu'il était resté un " excédent" minime de matière, un milliardième de plus. Pourquoi ? La question est une des plus importantes de la cosmologie et deux réponses sont possibles.  
   

L'antimatière a été prédite par la théorie avant d'être confirmée par des mesures expérimentales

 
    Préférée des physiciens, la première réponse consiste à dire que la symétrie initiale, l'équilibre parfait entre matière et antimatière, s'est brisée peu de temps après le big bang. D'autres brisures de symétrie ont été prouvées en physique, mais pas celle-là. Pour savoir ce qu'il en est vraiment, il n'existe qu'une seule méthode : comparer matière et antimatière pour déceler une différence entre ces jumelles. Tout le problème est que, dans nos laboratoires terrestres faits de matière, les chances de survie d'une antiparticule sont nulles puisqu'elle croisera toujours sur sa route de la matière contre laquelle se détruire: air, parois ou expérimentateur... De plus, pour étudier l'antimatière, les chercheurs n'ont pas uniquement besoin de positons ou d'antiprotons qu'ils créent dans des accélérateurs de particules. Il leur faut également des éléments plus lourds et plus complexes: des antiatomes. Et, s'ils savent en fabriquer depuis 1995, il est plus compliqué de les garder.  
   

L'expérience Alpha du CERN permet de fabriquer et de stocker des atomes d'antihydrogène

 
   

Un zeste d'antihydrogène

 
    Si l'on en croit Physics World, le magazine de l'Institute of Physics de Londres, la percée en physique la plus importante de l'année 2010 a été la capture d'atomes d'antihydrogène lors de deux expériences du CERN (l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire, située en Suisse) réalisées par les équipes Alpha et Asacusa. Au terme de quinze ans d'efforts, elles sont parvenues à piéger un court instant des atomes d'antihydrogène. Tout comme l'hydrogène est le plus simple des atomes de la matière, composé d'un électron et d'un proton, l'antihydrogène est le plus simple des atomes de l'antimatière, composé d'un antiproton et d'un positon. En 2010, l'équipe Alpha a ainsi pu capturer magnétiquement 38 atomes d'antihydrogène durant une fraction de seconde. En 2011, le temps de piégeage a été porté à un millier de secondes, ce qui est nettement plus confortable pour analyser cet antihydrogène.  
   

L'installation du détecteur de particules AMS sur la Station spatiale internationale en 2011

 
    Il s'agira d'études de haute précision, qui seront elles aussi des premières mondiales. Ayant maintenant des atomes d'antihydrogène sous la main, les physiciens vont pouvoir sonder leurs entrailles, observer le comportement du couple antiproton-positon et voir s'il se comporte exactement comme le couple proton-électron de l'atome d'hydrogène et donc savoir si l'antimatière est, ou non, la parfaite jumelle de la matière. Au cas où une différence aussi faible qu'un milliardième de milliardième entre les deux serait mesurée, cela expliquerait sans doute pourquoi la nature a accordé sa préférence à la matière, pourquoi la symétrie initiale a été brisée. Si, en revanche, les scientifiques ne trouvent rien, si l'antihydrogène est l'"anticopie" parfaite de l'hydrogène, ils devront se tourner vers une autre explication pour comprendre où est passée l'antimatière des origines.  
   

Un univers cloisonné ?

 
    Selon la deuxième hypothèse, l'Univers aurait conservé sa symétrie et l'antimatière n'aurait en réalité jamais été annihilée. Comme l'ont expliqué deux astrophysiciens français, Aurélien Barrau et Laurent Derome, dans un article paru dans La Recherche de mars 2011 : «Il n'est pas totalement exclu que l'Univers soit scindé en vastes domaines : les uns de matière et les autres d'antimatière. Ces derniers seraient alors composés d'antigalaxies, dotées d'antiétoiles abritant leurs antiplanètes, voire leurs antiastrophysiciens ! L'Univers se serait donc cloisonné en zones de matière et d'antimatière.» Cette théorie présente tout de même un inconvénient important. À moins d'être séparés physiquement par de très grands espaces entièrement vides, ces domaines devraient de temps en temps se frotter les uns aux autres à leurs frontières. L'annihilation matière-antimatière qui en résulterait se traduirait par l'apparition de rayons gamma très énergétiques... Or rien de tout cela n'est détecté par les astrophysiciens. Aucun signe de ces "explosions" dans le cosmos lointain et encore moins dans notre environnement proche, ce qui est normal puisque notre système solaire, notre galaxie et ses voisines sont forcément tous faits de la même "étoffe".  
   

Le CERN est l'un des seuls endroits au monde où l'on peut fabriquer de l'antihydrogène

 
    Quoi qu'il en soit, il existe une autre manière de valider l'hypothèse de régions peuplées de galaxies faites d'antimatière. Si celles-ci existent, certaines de leurs antiétoiles, en mourant, fabriquent des atomes d'anticarbone qu'aucun autre mécanisme cosmique n'est en mesure de synthétiser. Il suffirait donc de détecter un seul de ces antiatomes pour avoir la confirmation que les antiétoiles existent.  
   

Tomber vers le haut

 
    C'est un des buts de l'expérience AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) que la NASA a mise en œuvre au printemps 2011 sur un des bras de la Station spatiale internationale. Fruit d'une collaboration internationale à laquelle plusieurs centaines de chercheurs ont participé, cet instrument est capable de détecter un noyau d'antiatome au milieu d'un milliard de particules du rayonnement cosmique "normal", Pour y parvenir, le module expérimental ANS combine deux stratégies: une grande surface collectrice, car les particules d'antimatière sont rarissimes et il faut donc se doter d'un grand "filet" pour avoir une chance d'en attraper quelques-unes pendant la dizaine d'années que durera l'expérience; et un grand nombre de détecteurs qui multiplieront les mesures. Rien ne dit que l'engin capturera le fameux antiatome de carbone, mais, en attendant, il permettra aux astrophysiciens d'analyser en détail les rayons cosmiques. Le mystère de l'antimatière manquante n'est donc pas encore résolu, mais plusieurs expérimentations devraient permettre de faire le tri dans les théories... ou bien de révolutionner la physique. En effet, une des caractéristiques inconnues de l'antimatière, qui pourrait avoir des répercussions sur la manière dont les cosmologistes se représentent l'Univers, est son comportement dans un champ de gravité. On peut résumer la chose de la manière suivante: si, par extraordinaire, un pommier fait d'antimatière poussait sur notre planète, que feraient ses fruits en se détachant une fois mûrs ? Tomberaient-ils vers le bas, comme n'importe quelle matière, ou bien vers le haut, comme si leur masse était négative ? Pour le savoir, deux expériences ont été proposées au CERN, un des seuls endroits au monde où l'on fabrique de l'antihydrogène. Les premiers résultats pourraient arriver à partir de 2015.  
   

A retenir

 
   
  • À chaque particule élémentaire correspond une antiparticule de même masse mais de charge électrique opposée : l'électron, dont la charge est négative, a un alter ego, le positon, dont la charge est positive.
  • Au moment du big bang, les particules de matière et d'antimatière ont été créées en quantités égales. Pourtant, dans l'Univers que nous observons aujourd'hui, l'antimatière est absente.
  • Le scénario que les cosmologistes préfèrent pour expliquer cette disparition est celui d'une rupture de symétrie : peu après le big bang, matière et antimatière se sont annihilés mutuellement à l'exception d'un infime surplus de matière qui, pour une raison inconnue, a subsisté.
  • Pour prouver cette dissymétrie, les physiciens ont appris à recréer en laboratoire des atomes d'antihydrogène. Au cours des années à venir, ils vont les analyser très finement pour tâcher de déceler des différences avec les atomes d'hydrogène.
  • Une autre hypothèse expliquant l'absence de l'antimatière considère que celle-ci est confinée dans des régions de l'espace bien séparées de celles où règne la matière.
 
   

 

 
       
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