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L'antimatière
Une machine unique – le Décélérateur d'antiprotons (AD) – a ouvert une nouvelle phase dans la longue histoire des découvertes scientifiques capitales effectuées au CERN avec des faisceaux d'antiparticules, les plus petits constituants de l'antimatière. Les expériences de physique avec la machine AD entreprendront la première étude de précision du comportement des atomes d'antimatière.
En 1927, un physicien britannique appelé Paul Dirac écrivit une nouvelle équation pour l'électron qui le conduisit à prédire que l'électron avait comme contrepartie une particule appelée "antiélectron". Celle-ci ne tarda pas à être découverte et fut rebaptisée "positon". La confirmation que l'électron possédait une antiparticule conduisit Dirac à aller plus loin et à prédire que chacune des particules fondamentales constituant la matière pouvait avoir également une antiparticule. De la même manière que les particules ordinaires se combinent pour former des atomes, de même, selon lui, ces antiparticules pouvaient se combiner pour former des atomes d'antimatière.
Les antiparticules, à l'origine une curiosité intellectuelle, sont devenues un instrument majeur de la recherche moderne, la "fabrique" d'antimatière du CERN, un instrument unique en son genre, le Décélérateur d'antiprotons (ou AD, qui est son sigle anglais), fournit des antiprotons aux expériences.
Les antiprotons sont la contrepartie dans l'antimatière des protons qui sont présents dans les noyaux atomiques ordinaires. Deux des expériences avec la machine AD utilisent ces antiprotons pour synthétiser des atomes d'antihydrogène et étudier, pour la première fois, le comportement de cet atome, le plus simple des atomes d'antimatière. Ces expériences, grâce à une comparaison de leurs mesures de l'antihydrogène avec celles de l'hydrogène ordinaire, permettront de rechercher des différences systématiques entre le comportement de la matière et celui de l'antimatière.
Le Big Bang a sans doute créé un Univers contenant des quantités égales de matière et d'antimatière. Or l'Univers actuel ne contient apparemment que de la matière. Où est passée l'antimatière du Big Bang? Toute disparité entre le comportement de l'hydrogène et celui de l'antihydrogène pourrait apporter de nouvelles lumières sur le sort de cette antimatière primordiale.
Qu'est-ce que l'antimatière?
Comme le signe positif et le signe négatif, ou le débit et le crédit, la matière et l'antimatière sont égales et opposées. Elles se détruisent mutuellement pour disparaître dans une bouffée d'énergie. Inversement, une explosion d'énergie, comme le Big Bang qui a marqué le début de l'Univers, crée de la matière et de l'antimatière en quantités égales. L'antimatière est un élément essentiel de tout scénario de création de l'Univers. La découverte que l'antimatière doit nécessairement exister a été l'une des grandes avancées intellectuelles du XXe siècle.
L'antimatière: mythe et réalité
Nous avons vu que les antiparticules étaient un outil essentiel de la physique du XXe siècle. Mais l'antimatière est fréquemment citée comme le nec plus ultra de la science fiction. Elle serait un combustible idéal: quelques grammes d'antimatière pourraient assurer les besoins en énergie d'une fusée spatiale, ou de toute une ville pendant une courte période. Mais il n'existe pas de mine d'antimatière où il suffirait de creuser. Toute antimatière doit d'abord être fabriquée. Le combustible obtenu ne pourrait pas fournir plus d'énergie que ce qui était nécessaire à sa fabrication. En outre, la synthèse de l'antimatière est en soi une opération très inefficace, et de surcroît très difficile. En effet, le nombre maximum d'antiprotons qui ait jamais été produits au CERN sur une période d'un an ne fournirait de l'électricité que dans une quantité suffisante pour éclairer un ampoule pendant quelques secondes!
Outre leur rôle dans la recherche scientifique, les positons sont employés en radiographie pour la tomographie par émission de positons (TEP). Si l'on injecte un traceur émetteur de positons dans le corps d'un patient ou dans une pièce d'une machine, les positons ne tardent pas à s'annihiler sur les atomes voisins. Ils émettent alors un rayonnement caractéristique qui permet de localiser rapidement le lieu des annihilations. Ces radiographies par TEP ont l’avantage de mettre rapidement en évidence les structures internes au moyen de faibles doses de positons. Elles sont largement employées pour l'exploration du cerveau, aussi bien pour le diagnostic médical que pour obtenir des informations sur le fonctionnement de cet organe.
Miroirs et transformations
Lorsque nous regardons un miroir ordinaire, nous constatons que notre main gauche est apparemment devenue notre main droite, et inversement. Mais à part cette inversion gauche-droite, l'image miroir se comporte apparemment d'une manière qui est prédictible. Un miroir de toilette ordinaire est un exemple simple de ce qu'on appelle en mathématiques une transformation. Les progrès dans la connaissance de la physique de l'Univers s'opèrent en écrivant des équations qui sont valables pour des transformations toujours plus étendues.
Le début du XXe siècle en a donné un exemple avec la théorie de la relativité restreinte d'Einstein, qui s'attachait à expliquer pour quelle mystérieuse raison le lumière se déplace apparemment toujours à la même vitesse. La lumière émise par une étoile traversant le ciel à plusieurs milliers de kilomètres par seconde paraît avoir la même vitesse que celle émise par une source fixe sur Terre. Pourquoi la vitesse de la lumière n'est-elle pas accélérée par celle de sa source?
Einstein expliquait que les images d'objets se déplaçant très rapidement se déforment, et qu'il convenait d'en tenir compte chaque fois que la physique décrit des objets se déplaçant à très grande vitesse. Des objets tels qu'une règle paraissent se rétrécir et les intervalles de temps s'allonger.
Particules élémentaires
Les atomes (du mot grec signifiant "indivisible") étaient supposés être les plus petits constituants de la matière. Mais la recherche expérimentale à la fin du XIXe siècle et au début du XXe siècle a montré que les atomes n'étaient pas indivisibles. Les atomes sont comme des systèmes solaires en miniature, avec des électrons très légers de charge négative en orbite autour d'un noyau lourd et chargé positivement. Ce dernier contient plus de 99,9 pour cent de la masse de l'atome, mais ce sont les électrons, des particules légères, qui expliquent le comportement chimique et électrique des atomes. De nouvelles recherches montrèrent que les noyaux sont composés de protons électriquement chargés et de neutrons électriquement neutres.
En tentant d'expliquer ce monde lointain dissimulé profondément à l'intérieur de l'atome, les physiciens découvrirent rapidement que l'expérience quotidienne n'était pas un guide fiable. Les particules subatomiques se comportent de manière très inattendue. Les transformations qui sont à l'oeuvre dans les profondeurs de l'atome sont bien particulières. Cette "mécanique quantique" est apparue dans les années 20 en tant que nouvelle branche de la physique, et elle a exigé une pensée novatrice et des idées révolutionnaires.
L'électron quantique se comporte apparemment comme un interrupteur électrique: il doit nécessairement se trouver dans l'un ou l'autre de deux états. On a expliqué cela par le moment angulaire, ou spin, de l'électron. Le spin de l'électron peut être orienté vers le haut ou vers le bas. Cette dualité exigeait apparemment que l'électron possède deux éléments mathématiques.
Les vitesses élevées de la relativité einsteinienne ne sont cependant pas réservées aux feux d'artifice cosmiques de l'espace. Un électron se déplace aussi à ces vitesses, et l'équation d'un électron doit tenir compte, en dernier ressort, des effets de la mécanique quantique et de la relativité.
L'équation de Dirac
Personne n’était jamais parvenu à écrire une équation de l'électron qui obéisse à la fois aux lois de la mécanique quantique et à celles de la relativité restreinte. C'est en 1927 que Paul Dirac écrivit sa nouvelle équation de l'électron. Mais cette équation nécessitait que l'électron eût quatre, et non deux, éléments. De plus, ces éléments supplémentaires correspondaient à une charge électrique, non pas négative, mais positive. Que signifiaient ces éléments supplémentaires?
Pendant plusieurs années, comme effrayé par ce que son équation lui apprenait, Dirac s'efforça d'expliquer ces éléments supplémentaires par le proton, qui certes est chargé positivement, mais qui est 2000 fois plus lourd que l'électron. Mais la belle symétrie de l'équation de Dirac n'était pas compatible avec ce déséquilibre, et en 1931 Dirac prédit ce que son équation annonçait depuis le début. Les deux éléments supplémentaires de l'électron étaient les états de spin dirigés vers le haut et vers le bas d'une contrepartie en "antimatière" de l'électron, de même masse que ce dernier, mais de charge électrique opposée. Dirac l'appela tout d'abord "antiélectron".
S'ils se rencontraient, un antiélectron de Dirac et un électron ordinaire devraient s'annihiler mutuellement, en produisant une bouffée de rayonnement. L'antiélectron ayant la même masse m que l'électron, la masse totale qui disparaît dans cette annihilation est 2 m. Selon la relativité d'Einstein, l'énergie serait 2 mc2, c étant la vitesse de la lumière. Inversement, une bouffée de rayonnement, si elle a plus de 2 mc2 d'énergie, peut se matérialiser sous la forme d'un électron et d'un positon.
L'antiparticule apparaît
Dirac travaillait à Cambridge, près du Laboratoire Cavendish dirigé par Ernest Rutherford, où un grand nombre de découvertes fameuses ont été faites dans le domaine subnucléaire dans les années 20 et 30. Ces deux scientifiques travaillaient dans la même université, mais ils ne communiquaient guère. Rutherford travaillait en étroite collaboration avec ses collègues expérimentateurs. La théorie complexe de Dirac était à l'époque un langage peu familier, et de toute façon Dirac parlait très peu.
A la même époque, à Pasadena, en Californie, un jeune chercheur appelé Carl Anderson se préparait à étudier les "rayons cosmiques", c'est-à-dire la pluie de particules subatomiques venues de l'espace et qui parviennent jusqu'à la surface de la Terre. Il employait une "chambre de Wilson", un instrument qui permettait de mettre en évidence les traces laissées par des particules subatomiques et qui ressemblent aux traînées de vapeur produites dans le ciel par un avion volant très haut. Les traces dans ces chambres n'étaient pas les particules elles-mêmes, mais elles montraient par où ces dernières étaient passées. L'instrument avait été perfectionné au Laboratoire de Rutherford pour servir à la recherche physique.
La chambre de Wilson d'Anderson était équipée d'un puissant aimant qui déviait les traces des particules électriquement chargées. Plus les particules étaient lentes, plus les traces étaient incurvées. En examinant les traces dans sa chambre de Wilson, Anderson fut intrigué de voir des traces semblables à celles d'un électron qui allaient dans la mauvaise direction. Il supposa tout d'abord qu'il s'agissait d'exemples rares d'électrons cosmiques qui rebondissaient à la suite de collisions au-dessous de la chambre, mais après une analyse approfondie des traces il parvint à montrer qu'elles venaient du haut. Ne connaissant pas la théorie de Dirac ni sa prédiction de l'existence de l'antimatière, Anderson annonça en 1932 qu'il avait découvert le "positon", un électron porteur d'une charge électrique positive.
Des bouffées de rayonnement cosmique de haute énergie peuvent se transformer en paires électron-antiélectron. Les antiélectrons de ces paires étaient les positons d'Anderson. D'autres expériences, cette fois à Cambridge, ne tardèrent pas à montrer ces paires de traces caractéristiques, en forme de V, qui partaient en spirale dans des directions opposées. Cette observation de paires particule-antiparticule était une preuve capitale de la validité de la nouvelle théorie de Dirac. Le prix Nobel de physique fut décerné à Dirac en 1933 et, en 1936, Anderson reçut le prix pour sa découverte du positon, nom sous lequel l'antiélectron est aujourd'hui universellement connu.
L'antiproton
Ayant hésité pendant plusieurs années avant de prédire l'existence de l'antiélectron, Dirac, enhardi par la découverte de l'antiélectron/positon, affirma qu'une semblable dualité de charge électrique devait exister pour l'autre particule subatomique chargée connue à l'époque, le proton. "Il existe une symétrie complète et parfaite entre les charges positive et négative, et si cette symétrie est réellement de nature fondamentale, il doit être possible d'inverser la charge d'un type quelconque de particule," déclara-t-il.
Le décor était ainsi planté pour l'antiproton. Mais pour produire des paires proton-antiproton il fallait beaucoup plus d'énergie que n'en peuvent fournir la plupart des rayons cosmiques, et on construisit donc une machine spéciale pour fournir cette énergie. Le "Bevatron", alors le plus grand accélérateur de particules du monde, entra en service au Laboratoire Lawrence de Berkeley en 1955. Une équipe dirigée par Owen Chamberlain et Emilio Segrè ne tarda pas à découvrir l'antiproton chargé négativement. Chamberlain et Segrè se partagèrent le prix Nobel en 1959 pour cette découverte. L'antineutron lui aussi fut rapidement mis en évidence au Bevatron.
Collisions d'antiparticules
Dans un accélérateur de particules comme le Bevatron, un faisceau de particules électriquement chargées est maintenu en orbite au moyen d'un puissant champ magnétique. L'énergie du faisceau est augmentée grâce à un apport de puissance radiofréquence. En 1960, Bruno Touschek, un flamboyant physicien autrichien qui travaillait en Italie, eut une illumination qui allait transformer le visage de cette physique expérimentale.
Injectez des particules et des antiparticules dans un accélérateur, mais dans des directions différentes, suggéra Touschek. Veillez à maintenir séparés les deux faisceaux circulant dans des directions opposées, puis faites en sorte qu'ils se rencontrent. Alors les particules et les antiparticules s'annihileront. L'énergie libérée dans ces annihilations ne correspondrait pas seulement à la masse des particules, elle comprendrait aussi l'énergie supplémentaire fournie par l'accélérateur. Il s'agissait d'un nouveau scénario pour la transformation de l'énergie et de la matière.
Plusieurs de ces collisionneurs électron-positon furent mis rapidement en service en Europe, aux Etats-Unis et en Russie. En 1974, l'ensemble de la communauté des physiciens fut secouée par la découverte, par une équipe qui travaillait avec le petit collisionneur SPEAR de 80 m de diamètre de Stanford, d'une nouvelle particule, le J/psi, qui annonçait plusieurs autres générations de particules subatomiques. (Cette particule avait été découverte simultanément à Brookhaven sans utilisation de faisceaux d'antimatière.) La technique des collisions électron-positon permit ensuite de découvrir un grand nombre d’autres particules.
Des antiprotons refroidis
Puisqu'on pouvait faire entrer en collision des électrons et des positons, pourquoi pas des protons et des antiprotons? Mais ce n'était pas si facile. Les antiprotons sont bien plus difficiles à produire que les positons, et ils sont créés avec des vitesses qui varient beaucoup. On a dit que remplir un accélérateur de particules avec des antiprotons c'était comme tenter d'alimenter un tuyau haute pression au moyen d'une pomme de douche. Pour obtenir que les antiprotons travaillent pour la physique, il fallait trouver un moyen de contrôler ces particules indisciplinées.
Dans les années 70, Simon van der Meer, un physicien hollandais des accélérateurs qui travaillait au CERN, démontra que des particules chargées pouvaient être contrôlées au moyen d'un système d'asservissement rapide perfectionné appelé "refroidissement stochastique" (lorsqu'on réduit les composantes indésirables de la vitesse du faisceau, celui-ci devient plus homogène; on dit qu'il "se refroidit").
Quelques années plus tard, le CERN eut recours à cette technique pour construire un ambitieux collisionneur proton-antiproton dans l'anneau de 7 km de son synchrotron SPS. Le projet fut dirigé par Carlo Rubbia, et en 1983 des expériences avec le collisionneur permirent de découvrir les particules W and Z vecteurs de la force faible. Le prix Nobel 1984 fut attribué conjointement à Carlo Rubbia et Simon van der Meer pour ce succès.
En 1989, le plus grand collisionneur particule-antiparticule au monde, la machine électron-positon LEP de 27 kilomètres du CERN, entra en service. Après une longue carrière scientifique de plus d'une decennie, le LEP était définitivement mise à l'arrêt en 2000. Il sera remplacé par le grand colisionneur d'hadrons (LHC) qui prendra la relève en 2007.
Des antiparticules des basse énergie
Ces grands collisionneurs particule-antiparticule avaient pour mission d'exploiter l'énergie libérée par les annihilations. Mais il existait d'autres objectifs scientifiques. Comment l'annihilation elle-même se produit-elle? Les antiparticules pourraient-elles être étudiées autrement?
Parallèlement à son grand collisionneur proton-antiproton de haute énergie, le CERN avait mis en service un petit anneau d'antiprotons de basse énergie de 80 m de circonférence, LEAR, qui était entré en exploitation en 1982 et fournissait des antiprotons de basse énergie aux expériences.
Comme toute autre particule électriquement chargée, un antiproton placé dans un champ magnétique peut décrire une orbite: c'est le principe du cyclotron. En comparant les fréquences de cette rotation pour un antiproton et pour un proton, on peut comparer directement les masses de la particule et de son antiparticule.
L'expérience TRAP avec LEAR a été en mesure d'isoler des antiprotons et d'établir que les masses du proton et de l'antiproton sont égales avec une précision croissante, qui était finalement de un dix milliardième seulement. Une mesure avec cette précision étonnante équivaut à déterminer la position d'un objet sur la surface de la Terre à quelques millimètres près!
Il s'agit de loin – dans la proportion d'un facteur d'un million – de la comparaison la plus poussée qui ait jamais été faite des propriétés du proton et de l'antiproton. Selon les théorèmes fondamentaux de la physique (le théorème CPT), une particule et une antiparticule doivent être exactement égales et opposées, de sorte que leurs quantités scalaires comme la masse sont identiques, mais que les nombre quantiques additifs comme la charge électrique doivent avoir des signes opposés.
Antimatière atomique
De la même manière qu'un électron de charge négative se maintient respectueusement en orbite autour d'un proton positif pour donner un atome stable d'hydrogène neutre, de même un positon positif et un antiproton négatif devraient pouvoir s'assembler pour former un atome d'antihydrogène. Mais les premières tentatives pour y parvenir ont été mises en échec par les antiparticules qui s'annihilaient rapidement au contact des particules de matière qu'elles rencontraient.
En 1994, des physiciens de l'une des expériences avec LEAR entreprirent de synthétiser l'antihydrogène en employant tout d'abord les faisceaux d'antiprotons de LEAR pour créer de paires électron-positon. On espérait que certains des positons émergeant dans la direction des antiprotons parents pourraient s'y agglomérer. En 1995, l'expérience découvrit neuf exemples d'atomes synthétiques d'antihydrogène. On avait obtenu de l'antimatière atomique; voir le communiqué de presse.
La poursuite de la tradition
Même si LEAR était parvenu à réduire dans la proportion d'un facteur dix les énergies des antiprotons fournis, les particules émergeaient toujours à des énergies équivalant à des températures de plusieurs milliards de degrés. Après avoir mené à bien son programme scientifique, LEAR fut fermé en 1996. Mais avec LEAR de nouvelles méthodes avaient été mises au point pour "surrefroidir" les antiprotons jusqu'à quelques degrés au voisinage du zéro absolu. Cette circonstance, jointe à la fascination exercée par la physique de l'antimatière, conduisit à construire une nouvelle machine du CERN, de dimensions modestes, le Décélérateur d'antiprotons (AD) d'une circonférence de 188m. Il était prévu qu'elle emploierait des équipements de la source d'antiprotons réalisée au CERN dans les années 80 pour les expériences d'antimatière de la première génération. (D'autres équipements du CERN pour les antiprotons ont été cédés gracieusement au laboratoire de physique japonais KEK de Tsukuba.)
Deux expériences avec la machine AD ("ATHENA" et "ATRAP" – ce dernier issu de l'expérience précédente TRAP avec LEAR) capturent les antiprotons décélérés et les refroidissent encore jusqu'à des températures extrêmement basses, environ dix millions de fois moins que leur température lorsqu'ils quittent le décélérateur. On y parvient en capturant les antiprotons et en les enfermant dans un piège au moyen de champs électriques et magnétiques. Les précieuses antiparticules sont ensuite mises au contact d'un gaz d'électrons dense, qui est "autorefroidi" par l'émission d'un rayonnement synchrotron dans le champ magnétique intense. Les antiprotons peuvent coexister pacifiquement avec les électrons, puisqu'ils ne sont pas la particule ou l'antiparticule de l'autre. Cette technique de refroidissement a été démontrée pour la première fois par l'expérience TRAP avec LEAR (voir ci-dessus).
ATHENA et ATRAP se proposent d'étudier l'antiatome le plus simple, celui de l'antihydrogène. La synthèse de l'antimatière atomique dans LEAR était un grand succès, mais on n'avait pas fait de mesures: l'antihydrogène était trop chaud et se dissociait rapidement sous la forme de ses constituants, les positons et les antiprotons. ATRAP et ATHENA ont pour but de recueillir l'antihydrogène superfroid qui pourra être stocké pour de nouvelles études.
Les atomes d'antimatière se comportent-ils exactement de la même manière que ceux de la matière ordinaire? Toute différence, même faible, pourrait aider à expliquer pourquoi l'Univers qui nous entoure paraît entièrement composé de matière. Si le Big Bang initial a produit des quantités égales de matière et d'antimatière, où est passée toute cette antimatière primordiale? Les physiciens pensent connaître la raison, mais ils n'en sont pas encore sûrs. Certains types d'antimatière (en particulier la particule appelée kaon neutre) se comportent différemment de leurs contreparties dans la matière. Mais ces différences obscures et très ténues, quelques millièmes seulement, suffisent-elles à expliquer l'éradication de toute l'antimatière dans l'ensemble de l'Univers?
Une comparaison des propriétés de l'antihydrogène ultrafroid et de l'hydrogène dans les mêmes conditions permettra de déterminer avec une bien plus grande rigueur si la matière et l'antimatière se comportent exactement de la même façon.
A vrai dire, les expériences LEAR avec des pièges ne mesuraient pas explicitement la masse de l'antiproton, mais le rapport de sa charge électrique à sa masse. Un autre précurseur avec LEAR du programme d'expérimentation de la machine AD a résolu cette question en irradiant, avec des faisceaux laser, des antiprotons piégés dans des atomes d'hélium et en mesurant la fréquence laser qui les faisait sauter d'une orbite à une autre. Une troisième expérience avec AD, ASACUSA, poursuivra maintenant ce type de recherche. Elle étudiera en détail les propriétés de l'antiproton par les modalités de son interaction avec la matière ordinaire, en particulier par l'étude des atomes exotiques, où un antiproton de charge négative remplace l'électron des atomes ordinaires.