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Le Cern sur la piste de l’antigravité avec GBAR et Alpha-g

Deux expériences au Cern ont entamé une dernière ligne droite avant des prises de données concernant la façon dont les atomes d’antihydrogène tombent dans un champ de gravitation. Vont-ils tomber à la même vitesse que les atomes d’hydrogène, voire être repoussés par la Terre ? On pourrait donc établir l’existence d’effet d’antigravité.

Bloquer les effets de la gravité est un vieux rêve de la science-fiction remontant au moins à la fameuse cavorite de H.G Wells. Mais la question de l’existence bien réelle d’une forme d’antigravité est aussi une interrogation à laquelle les physiciens ont tenté de répondre depuis des décennies. Il y a eu des spéculations dans le cadre des théories proposées pour prolonger la relativité générale, par exemple avec une théorie unifiée de la gravitation et de l’électromagnétisme. On pouvait se demander si elle ne livrerait pas un moyen de contrôler la gravité, en la supprimant, avec un champ électromagnétique convenablement généré.

Ce type de question se posait dans les années 1950/1960 au moment où des physiciens, comme Hermann Bondi, s’interrogeaient aussi sur les effets à attendre de l’existence de masses négatives et des particules d’antimatière dans un champ de gravitation. Des positrons et des antiprotons allaient-ils tomber dans un champ de gravitation, comme les électrons et les protons, ou au contraire être repoussés par la matière normale ? Plusieurs physiciens ont répondu à l’époque par la négative à cette dernière éventualité en se basant sur des combinaisons d’arguments théoriques et expérimentaux. Gabriel Chardin et Giovanni Manfredi l’expliquent dans un article disponible sur arXivexposant trois principaux raisonnements que l’on doit à Philipp Morrison, Myron Good et Leonard Schiff (ce dernier est bien connu pour son traité de mécanique quantique et son implication dans le projet Gravity Probe B). Comme Max Jammer l’explique plus en détail dans un livre consacré au concept de masse, ces arguments semblaient impliquer des effets de violation du principe d’équivalence ou de la conservation de l’énergie que l’on n’observait pas.

Une présentation de l’expérience Alpha-g. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © CERN

Mais ces arguments ont des talons d’Achille. Devant les enjeux d’une découverte non seulement d’effets d’antigravité, mais aussi de différences entre la matière et l’antimatière qui pourraient expliquer pourquoi cette dernière est quasiment absente dans le cosmos observable – alors qu’elle devrait exister en quantité égale avec la matière selon les lois connues de la physique -, les physiciens ont décidé d’en avoir le cœur net. Ils ont profité des progrès de la technologie qui ont fait du Cern une usine à antiprotons et à atomes d’antihydrogène. 

GBAR, Aegis, Alpha-g, trois expériences pour traquer l’antigravité au Cern

Ainsi, depuis plusieurs années, les chercheurs du Cern ont perfectionné leurs techniques pour fabriquer des atomes d’antihydrogène qu’ils vont ensuite capturer dans des pièges magnétiques. Des tests portant sur les propriétés de ces atomes ou des antiprotons les constituant ont été réalisés. Jusqu’ici, ils ne montrent pas de différence avec le comportement des atomes d’hydrogène et des protons.

Toutefois, ces tests ne portaient pas encore sur le comportement de l’antihydrogène en chute libre. Plusieurs programmes de recherche ont été lancés à ce sujet avec des expériences différentes. Futura en avait déjà parlé, notamment avec les deux articles précédents (voir ci-dessous), portant sur celles qui ont été appelées GBAR (Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest) et Aegis (Antihydrogen Experiment : Gravity, Interferometry, Spectroscopy).

Ces expériences sont délicates à réaliser, il faut du temps pour cela, et elles pourraient souffrir de divers biais expérimentaux systématiques. Toutefois, on peut justement les mettre en évidence avec des instruments et des protocoles expérimentaux différents, même légèrement.

Le Cern vient de faire savoir qu’une troisième expérience portant sur la chute libre des atomes d’antihydrogène nommée Alpha-g, prenant appui sur le matériel de l’expérience Alpha (Antihydrogen Laser PHysics Apparatus), venait vraiment de débuter le 30 octobre. Après GBAR le 20 juillet, cette nouvelle expérience a reçu également ses premiers faisceaux d’antiprotons, étape initiale pour entamer la production d’atomes d’antihydrogène.

Les chercheurs sont dans la course, ils veulent terminer de calibrer et de vérifier le fonctionnement de leurs expériences avant de vraiment faire des prises de mesure pour chercher de la nouvelle physique le plus vite possible. En effet, la production de faisceaux de particules va bientôt s’arrêter pour permettre une nouvelle phase d’upgrade du LHC qui va durer environ deux ans, avec un HL LHC à l’horizon.

Il est probable que les premiers résultats ne seront obtenus qu’à partir de 2021.

Ce qu’il faut retenir

  • Le Cern perfectionne, depuis des années, des techniques pour produire des atomes d’antihydrogène afin de vérifier qu’ils se comportent en tout point comme des atomes d’hydrogène.
  • Dans le cas contraire, le résultat des expériences en préparation, GBAR, Alpha-g et Aegis, mettrait en évidence des phénomènes qui pourraient être équivalents à l’existence d’une antigravité ou qui seraient pour le moins une manifestation de différences entre la matière et l’antimatière.
  • Cette nouvelle physique, si elle existe, aurait des implications révolutionnaires en cosmologie. On ne devrait avoir les premiers résultats qu’à l’horizon 2021.

Pour en savoir plus

Le Cern sur la piste de l’antigravité avec l’expérience GBAR

Article de Laurent Sacco publié le 28/03/2017

L’antimatière se comporte-t-elle comme la matière dans un champ de gravité ? Nous n’en sommes pas encore certains. Des expériences menées au Cern, comme celle appelée « GBAR », doivent le vérifier. Si tel n’est pas le cas et qu’il existe une « antigravité », il faudrait alors profondément modifier la physique que nous connaissons.

Les 52e rencontres de Moriond, qui rassemblent les physiciens des hautes énergies pour faire le point sur les dernières découvertes en physique fondamentale, viennent de s’achever à La Thuile, en Italie. Le bilan est clair pour la communauté : toujours aucun signe de la prochaine découverte d’une nouvelle physique (en particulier de la supersymétrie) en provenance des expériences qui la chassent, notamment au LHC.

Cela ne veut pas dire que nous n’avons rien appris sur ce que pourrait être cette nouvelle physique ; nous avons tout de même défriché une partie du territoire où elle pourrait se trouver avec des caractéristiques données.

D’ailleurs, la quête continue et les chercheurs tentent toujours de résoudre l’énigme de l’antimatière en cosmologie (en parallèle, ils essayent aussi d’en savoir plus sur la nature de l’énergie noire et de la matière noire). Se pourrait-il, par exemple, que, lors du Big Bang, les quantités de matière et d’antimatière (qui auraient dû être produites en quantités égales, selon le modèle standard) se soient séparées en deux régions distinctes du fait de forces répulsives, c’est-à-dire, finalement, sous l’action d’une antigravité ?

Le Cern, une usine à atomes d’antihydrogène

Les physiciens du Cern sont sur la piste de cette antigravité grâce à plusieurs expériences comme Aegis, Alpha et maintenant GBAR (Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest). En ce qui concerne cette dernière, qui est en cours d’installation, il s’agit de vérifier que des atomes d’antihydrogène tombent bien, ou pas, dans le champ de gravité de la Terre, comme le feraient des atomes d’hydrogène. Plus précisément, les chercheurs veulent savoir si ces antiatomes respectent le principe d’équivalence faible d’Einstein, c’est-à-dire si la trajectoire d’une particule test dans un champ gravitationnel est indépendante de sa composition et de sa structure interne.

Pour ce faire, il faut, bien sûr, fabriquer ces atomes d’antihydrogène. Heureusement, c’est là une spécialité des chercheurs du Cern. La démarche est la suivante : ils commencent par produire des antiprotons avec un faisceau de protons issu du synchrotron à protons (PS) qui frappe une cible métallique. Ces antiprotons à hautes énergies sont ensuite décélérés en cascade avec deux machines, dont Elena, un anneau de 30 m de circonférence. Puis, ces antiprotons sont « habillés » par des positrons issus d’un petit accélérateur linéaire de 1,2 m de long. On obtient finalement des ions d’antihydrogène (notés « Hbar» : voir le schéma ci-dessus), c’est-à-dire un antiproton chargé négativement avec deux positrons chargés positivement en orbite (il s’agit, bien sûr, d’un système quantique).

Ces ions d’antihydrogène sont encore ralentis avec un faisceau laser et sont alors capturés et immobilisés dans un piège de Penning. On peut ensuite les dépouiller d’un positron avec un autre faisceau laser, ce qui leur permet de tomber dans le champ de gravitation de la Terre. Deux détecteurs pourront alors dire si l’antiatome chute ou, au contraire, s’il monte dans ce champ. Dans ce dernier cas, un effet d’antigravité sera alors clairement établi.

On ne sait pas vraiment à quoi s’attendre car, jusqu’à maintenant, les théories et les interprétations des autres expériences menées sur le sujet divergent.

Aidez les chercheurs du Cern sur la piste de l’antigravité

Article de Laurent Sacco publié le 15/08/2013

L’expérience Aegis est destinée à vérifier si l’antimatière se comporte comme de la matière dans un champ de gravitation. Elle ne débutera vraiment qu’en 2015, et ce n’est qu’à ce moment-là que l’on pourra envisager de découvrir des traces de l’existence de l’antigravité. En attendant, les chercheurs du Cern ont besoin de vous pour préparer cette expérience ! Il vous suffit d’analyser des photos en ligne…

Le Cern se prépare à partir à la chasse à d’éventuels signes de l’existence de l’antigravité en 2015, avec l’expérience Aegis (Antihydrogen Experiment : Gravity, Interferometry, Spectroscopy). Pour cela les physiciens proposent de mesurer l’effet de l’accélération gravitationnelle de la Terre sur des atomes d’antihydrogène. Ces atomes tombent-ils de la même façon que les atomes d’hydrogène dans le champ de gravité de la Terre ? Se pourrait-il qu’au lieu de tomber, ils soient repoussés par la masse de la Terre ?

Dans les deux cas, un écart avec le comportement normal de la matière, qui se manifesterait avec de l’antimatière, aurait des conséquences révolutionnaires aussi bien sur notre compréhension du cosmos observable que sur notre technologie. Qui n’a jamais rêvé d’un générateur d’antigravité pour faire voler des voitures ou des vaisseaux spatiaux dans les airs ?

Des antiatomes pistés par leurs produits de désintégration

Avec Aegis, les chercheurs du Cern commenceront par faire voler horizontalement dans le vide des atomes d’antihydrogène, puis ils les feront entrer en collision avec de la matière normale. Des annihilations se produiront, avec production de pions et d’autres particules. Ces  particules secondaires se déplaceront ensuite à travers une émulsion contenant du bromure d’argent développé par l’université de Berne (Suisse), qui rend leurs trajets visibles sous forme de chapelets de bulles. Les photographies de ces traces seront enfin utilisées pour reconstruire la trajectoire dans le temps des atomes d’antihydrogène, et donc vérifier s’ils tombent bien dans le champ de gravité terrestre comme des atomes d’hydrogène normaux.

Mais avant cela, les physiciens ont besoin de vérifier que cette méthode fonctionne en envoyant des faisceaux d’antiprotons dans différents matériaux pour produire des annihilations. Les trajets des particules secondaires sont là aussi enregistrés avec la même émulsion. En théorie, les images peuvent être traitées automatiquement par ordinateur, comme pour les chambres à fils de Charpak. Mais les scientifiques savent bien que le cerveau humain reste encore le meilleur outil pour identifier et reconstruire les trajectoires à partir des chapelets de bulles laissés par les particules secondaires dans l’émulsion. 

Comme pour la chasse aux traces de poussières cométaires et interstellaires dans l’aérogel de la mission Stardust, les chercheurs proposent donc aux internautes de les aider à reconstituer les trajets des particules secondaires, afin de préparer l’expérience Aegis. Pour participer à la chasse à l’antigravité, si vous n’êtes pas épileptique et que vous comprenez un minimum l’anglais, il suffit de se rendre sur le site crowdcrafting.org. Votre tâche consistera à relier des points sur les photographies. L’état des reconstitutions de trajectoires est affiché dans une vidéo 3D.

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