Au CERN, la quête d'un test pour comparer matière et antimatière

Le dispositif électromagnétique utilisé pour piéger les antiprotons | CERN

Pourquoi la matière l’a-t-elle emporté, lors des premiers instants de l’Univers, sur l’antimatière? La question taraude les physiciens. Notamment au CERN, où une machine unique en son genre produit, à partir de protons, des antiprotons. Dans la revue Nature, les chercheurs de l’expérience BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) rapportent avoir mesuré par ce moyen, avec une incertitude expérimentale inédite de seulement 16 millionièmes de millionièmes (!), la masse et la charge du proton d’une part, et celles de l’antiproton d’autre part.

Pourquoi c’est un résultat important. D’une part, c’est une prouesse technique inédite par sa précision, quatre fois plus élevée que la dernière mesure réalisée, qui datait de 2015. Selon le modèle standard, cadre théorique qui permet aujourd’hui de décrire les lois de la physique de l’infiniment petit, particules et antiparticules ont des propriétés identiques: il en va du respect des règles de symétrie fondamentale de l’Univers. Mais de l’autre côté, s’il n’y a toujours pas de différence mesurable entre le proton et l’antiproton, le problème de l’abondance de la matière dans l’Univers — par rapport à l’antimatière — reste entier.

Le paradoxe. Le modèle standard — la Bible en physique des particules — est incomplet et les physiciens le savent bien. C’est pourquoi ils cherchent à le tester sous toutes les coutures, dans l’espoir d’améliorer notre compréhension des phénomènes physique. En unifiant l'électromagnétisme avec les interactions nucléaires faible et forte, le modèle standard parvient en effet à expliquer de nombreux phénomènes. Mais pas la gravité. On sait donc qu’il y a la place pour un autre cadre théorique…

La symétrie CPT (charge, parité, temps), selon laquelle les particules et les antiparticules correspondantes ont la même masse, mais une charge opposée, est l’un des aspects particulières discuté et mis à l’épreuve dans le modèle standard, par des expériences telles que celles-ci.

L’expérience du CERN. Mais comment s’y prendre pour comparer protons et antiprotons? La tâche n’a rien d’une promenade de santé, explique le chercheur Ralf Lehnert, non impliqué dans ces travaux, dans un éditorial à Nature.

«Déterminer les propriétés de ces particules jumelles est une tâche difficile, car elles ne se mélangent pas bien — au point qu’une particule et son antiparticule qui entrent en contact s'annihilent, ne laissant qu'un flash de lumière intense.»

Pour contourner le problème, les chercheurs du CERN ont eu recours à un dispositif basé sur ce qu’on appelle un piège à ions de Penning. Ce dispositif, grâce à un champ magnétique, permet de suspendre des particules chargées le temps de mesurer leurs propriétés. Il a ici été adapté pour fonctionner avec des antiprotons, qui se seraient sinon désintégrés instantanément au contact de matière ordinaire.

Ces mesures ont aussi permis de tester une loi de physique fondamentale connue sous le nom de «principe d'équivalence faible», et qui, là aussi, a été vérifiée.

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A lire sur Nature (EN)