Une équipe de chercheurs travaillant avec l’appareil de physique laser antihydrogène du CERN (ALPHA) a rapporté la première mesure directe de l’effet de la gravité sur l’antimatière, plus précisément sur l’antihydrogène en chute libre.
Schéma en coupe de la région de production et de piégeage de l’antihydrogène de l’appareil ALPHA, montrant les positions relatives des électrodes de piégeage refroidies par cryogénie, des bobines octupolaires et de l’aimant miroir du piège à minimum B, et du détecteur d’annihilation. La paroi du piège se trouve sur le rayon intérieur des électrodes (A. E. Charman, la collaboration ALPHA).
“Les atomes qui composent la matière ordinaire tombent vers le bas, alors les atomes d’antimatière tombent-ils vers le haut ? Font-ils l’expérience de la gravité de la même manière que les atomes ordinaires, ou existe-t-il une chose telle que l’antigravité ?”
“Ces questions intriguent depuis longtemps les physiciens”, a déclaré le Dr Joel Fajans du Lawrence Berkeley National Laboratory du ministère américain de l’Énergie, co-auteur d’un article rapportant les résultats dans… Nature Communications. “Car dans le cas improbable où l’antimatière tomberait vers le haut, il faudrait revoir fondamentalement notre vision de la physique et repenser le fonctionnement de l’Univers.”
Jusqu’à présent, toutes les preuves que la gravité est la même pour la matière et l’antimatière sont indirectes, l’équipe a donc décidé d’utiliser ses recherches en cours sur l’antihydrogène pour s’attaquer directement à la question.
L’expérience ALPHA capture des antiprotons et les combine avec des antiélectrons (positrons) pour fabriquer des atomes d’antihydrogène, qui sont stockés et étudiés pendant quelques secondes dans un piège magnétique. Mais ensuite, le piège est éteint et les atomes tombent. Les chercheurs ont réalisé qu’en analysant la façon dont l’antihydrogène tombait du piège, ils pouvaient déterminer si la gravité tirait sur l’antihydrogène différemment de l’hydrogène – l’anomalie serait perceptible dans les données existantes d’ALPHA sur 434 anti-atomes.
Les temps et les emplacements verticaux (y) d’annihilation (points verts) de 10 000 atomes d’antihydrogène simulés dans les champs magnétiques décroissants. Les anti-atomes ont tendance à s’annihiler dans la moitié inférieure du piège, comme le montre la ligne noire continue. La ligne pointillée bleue inclut les effets de l’étalement azimutal du détecteur sur la moyenne ; l’étalement réduit l’effet de la gravité observé dans les données. Les cercles rouges représentent les temps et les emplacements d’annihilation de 434 anti-atomes réels, tels que mesurés par le détecteur de particules (A. E. Charman, la collaboration ALPHA).
L’antihydrogène ne s’étant pas comporté bizarrement, ils ont calculé qu’il ne pouvait pas être plus de 110 fois plus lourd que l’hydrogène. Si l’antimatière est une anti-gravité – et ils ne peuvent l’exclure – elle n’accélère pas vers le haut avec plus de 65 Gs.
“C’est le premier mot, pas le dernier. Nous avons fait les premiers pas vers un test expérimental direct des questions que les physiciens et les non physiciens se posent depuis plus de 50 ans. Nous nous attendons certainement à ce que l’antimatière tombe, mais nous serons peut-être surpris”, a déclaré le Dr Fajans.
“Nous devons faire mieux, et nous espérons le faire dans les prochaines années”, a déclaré le Dr Jonathan Wurtele, co-auteur du projet, du Lawrence Berkeley National Laboratory. “ALPHA est en cours de mise à niveau et devrait fournir des données plus précises lorsque l’expérience sera rouverte en 2014.”