D’après la théorie, matière et antimatière ont exactement les mêmes propriétés, excepté leurs charges électriques, qui sont opposées. Des chercheurs ont maintenant calculé la masse d’un antiproton par rapport à celle d’un électron avec une précision inégalée: il a strictement la même masse que le proton.

On suppose que les lois de la nature obéissent à une symétrie fondamentale, appelée symétrie CPT (Charge, Parité, Temps). Cette symétrie implique qu’une image miroir de notre Univers, où la gauche et la droite sont inversées (inversion de parité), tous les moments sont inversés (inversion temporelle) et où toute la matière est remplacée par de l’antimatière, évoluerait avec les mêmes lois de la physique que le nôtre. Si la moindre déviation était observée, cette symétrie fondamentale serait brisée.

Parce que la matière et l’antimatière s’annihilent lorsqu’elles entrent en contact, dégageant de l’énergie et produisant de nouvelles particules, il est extrêmement difficile de manipuler l’antimatière en laboratoire. En 1997, une collaboration internationale a développé une installation nommée Antiproton Decelerator au CERN: des antiprotons sont produits dans des collisions à haute énergie puis collectés dans un tube à vide. Ils sont ensuite ralentis et transportés vers différentes expériences. Une de ces expériences, ASACUSA1 (Atomic Spectroscopy and Collisions using Slow Antiprotons) envoie des antiprotons sur une cible d’hélium afin de créer et d’étudier des atomes d’hélium antiprotoniques.

Deux électrons orbitent autour du noyau d’un atome d’hélium; dans l’hélium antiprotonique, un des électrons est remplacé par un antiproton dans un état excité. En dirigeant un faisceau laser sur l’atome, les scientifiques sont capables de « régler » la fréquence de l’antiproton jusqu’à ce qu’il se déplace d’une orbite à une autre. Cette fréquence peut être comparée avec les calculs théoriques, permettant ainsi de déterminer la masse de l’antiproton par rapport à celle de l’électron.

Malheureusement, les mesures sont imprécises à cause de l’effet Doppler: en fonction de leur énergie thermique, les antiprotons vont s’agiter aléatoirement. Certains vont se déplacer vers le faisceau laser, d’autres vont s’en éloigner, à des fréquences différentes.

Afin d’améliorer la précision de ces mesures, le Dr. Masaki Horiet ses collègues ont utilisé une technique appelée « spectroscopie laser à deux photons ». Grâce à un second faisceau laser, les chercheurs sont capables d’annuler partiellement l’effet décrit précédemment: le premier laser est utilisé pour amener l’antiproton à un niveau d’énergie virtuel qui n’est pas permis par la mécanique quantique, et le second l’amène ensuite à l’état autorisé le plus proche. Ainsi, les mesures sont quatre à six fois plus précises.

Cette nouvelle expérience a montré que l’antiproton est 1836.1526736(23) fois plus lourd que l’électron, ce qui correspond exactement à la masse du proton avec une précision similaire. Alors que cette mesure confirme le théorème CPT, les scientifiques ont également observé que les antiprotons obéissent aux mêmes lois d’optique quantique non linéaire que les particules « normales ».

Si une violation de la symétrie CPT devait un jour être observée, il faudrait alors complètement revoir notre compréhension de la nature. Ironiquement, un mystère reste entier: d’après la cosmologie moderne, matière et antimatière ont été créées en quantité égale à la naissance de l’Univers, qui semble aujourd’hui composé uniquement de matière. Puisque la moitié de l’Univers a apparemment disparu, il semblerait bien qu’il faille reconsidérer notre compréhension du monde, de toute façon…

Référence

Masaki Hori, Anna Sótér, Daniel Barna, Andreas Dax, Ryugo Hayano, Susanne Friedreich, Bertalan Juhász, Thomas Pask, Eberhard Widmann, Dezsö Horváth, Luca Venturelli, Nicola Zurlo. Two-photon laser spectroscopy of antiprotonic helium and the antiproton to electron mass ratio. Nature, 28 Juillet 2011

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