Matière et antimatière ont-elles le même comportement dans un champ gravitationnel? C’est la question à laquelle un groupe de chercheurs est décidé à apporter une réponse. Si leurs comportements s’avéraient différents, ceci aurait d’importantes implications, et pourrait peut-être apporter une solution à des problèmes de longue date.

Des scientifiques de l’Université de Californie ont entamé la quête de mesurer la chute libre de l’antimatière, plus particulièrement du positronium, un état lié entre un positron et un électron. Le positron est l’antiparticule de l’électron: ils sont identiques en tout point, mais de charge électrique opposée. Lorsque les deux particules se rencontrent, elles s’annihilent et produisent deux rayons gamma.

Les physiciens David Cassidy et Allen Mills ont tout d’abord séparé l’électron du positron dans le positronium, afin que ce système instable puisse résister à l’annihilation suffisamment longtemps pour pouvoir mesurer les effets de la gravité sur ce dernier. C’est en effet le principal problème: pour pouvoir observer les propriétés physiques de l’antimatière, il faut éviter qu’elle ne s’annihile trop tôt.

Pour y parvenir, les chercheurs ont utilisé des lasers pour exciter le positronium et l’amener à un état dit de Rydberg. Dans cet état, l’atome est faiblement lié, et l’électron et le positron sont alors loin l’un de l’autre: ceci accorde un délai supplémentaire avant l’annihilation des particules. Les atomes de Rydberg, très excités, sont très utiles aux physiciens car de nombreuses propriétés des atomes deviennent alors « exagérées ».

Dans le cas du positronium, Cassidy et Mills sont parvenus à augmenter la durée de vie d’un atome par un facteur 10 à 100, ce qui reste malheureusement trop peu. Les scientifiques espèrent utiliser une technique transmettant un grand moment angulaire aux atomes de Rydberg, ce qui permettrait d’augmenter leur durée de vie d’un facteur 10000, suffisant pour les étudier de près.

La prochaine étape pour Cassidy et Mills sera d’exciter le positronium encore davantage afin d’atteindre une durée de vie de quelques millisecondes. Ensuite, ils produiront un faisceau de ces atomes super-excités dans le but d’étudier sa déviation par la gravité.

Si l’expérience montre que l’antimatière et la matière ne se comportent pas de la même façon, cela pourrait avoir des conséquences sans précédent en physique. En effet, matière et antimatière sont théoriquement identiques, à l’exception de leur charge électrique: une des conséquences de cette hypothèse est que matière et antimatière ont été créées en quantités égales lors du Big Bang. Seulement, l’Univers tel qu’on l’observe aujourd’hui semble quasiment dépourvu d’antimatière. Des différences telles que celles-ci pourraient apporter une explication à ce phénomène. Certains chercheurs ont même suggéré que l’antimatière pourrait avoir une charge gravitationnelle négative, produisant alors un effet semblable à l’énergie noire.

 

Référence

D. B. Cassidy, T. H. Hisakado, H. W. K. Tom, and A. P. Mills, Jr. Efficient Production of Rydberg Positronium
Phys. Rev. Lett. 108, 043401

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