L'ANTIMATIÈRE SE FORME-T-ELLE FACILEMENT ?

L’antimatière tombe-t-elle comme la matière ordinaire ? Au décélérateur d’antiprotons du CERN, AD/ELENA, plusieurs expériences testent les symétries fondamentales de la physique avec de l’antihydrogène : un antiproton lié à un positon, l’image miroir de l’atome d’hydrogène. Parmi elles, GBAR — « Gravitational Behaviour of Antimatter at Rest » — est conçue pour mesurer l’accélération de l’antihydrogène dans la gravité terrestre.

La voie de GBAR est originale. D’autres expériences assemblent l’antihydrogène en mélangeant antiprotons et positons dans un piège. GBAR prévoit plutôt deux étapes d’échange de charge avec du positronium (Ps), un atome exotique fait d’un électron et d’un positon :

1. p̄ + Ps → H̄ + e⁻ : un antiproton capture le positon et devient antihydrogène ;
2. H̄ + Ps → H̄⁺ + e⁻ : l’antihydrogène capture un second positon et devient un ion positif.

Cet ion peut être refroidi avec des ions béryllium, puis un laser lui arrache le positon en trop, ce qui laisse des atomes d’antihydrogène à environ 10 microkelvins — assez froids pour une expérience de chute libre.

Connaître les chances

La collaboration avait déjà montré en 2023 que l’étape 1 fonctionne avec du positronium dans son état fondamental. Mais elle ne pouvait pas dire à quel point la réaction est probable — une grandeur que les physiciens appellent la section efficace, la surface de cible effective qu’un antiproton doit toucher. Sans elle, personne ne peut prévoir combien d’atomes l’expérience complète produira.

La réaction équivalente avec de la matière ordinaire — un proton qui prend un positon pour devenir hydrogène — n’avait été mesurée qu’une fois, par Merrison et ses collègues en 1997, entre 11 et 16 kiloélectronvolts.

Deux faisceaux dans une minuscule cavité

Depuis 2023, l’équipe a multiplié par dix son taux de production. D’un côté, des positons issus d’un petit accélérateur s’empilent dans des pièges : environ 300 millions entre deux tirs d’antiprotons, toutes les deux minutes. Environ 100 millions atteignent une cavité d’à peu près 2 millimètres de large et 2 centimètres de long, tapissée de silice poreuse qui en transforme une partie en positronium. Chaque tir laisse un nuage semi-confiné d’environ 6 millions d’atomes de positronium.

De l’autre, ELENA fournit des paquets de 12 millions d’antiprotons. GBAR les ralentit, les piège, les refroidit avec des électrons, puis tire des paquets de 5 à 6 millions à travers la cavité à 4 ou 6 kiloélectronvolts, au moment où ils croisent le nuage de positronium. Tout antihydrogène produit est électriquement neutre : il file tout droit vers un détecteur placé 1,6 mètre plus loin, tandis que les antiprotons restants sont déviés.

Des centaines d’antiatomes, un seul nombre

En comparant des milliers de tirs avec et sans positons, le détecteur a compté 379 ± 35 atomes d’antihydrogène à 6 keV et 69 ± 19 à 4 keV — environ 392 et 71 après correction de l’efficacité du détecteur. Combiné à un décompte soigneux des antiprotons et des atomes de positronium en jeu, et du recouvrement des deux impulsions dans l’espace et le temps, cela donne la section efficace :

• (14,1 ± 1,3) × 10⁻¹⁶ cm² à 6,2 keV ;
• (8,7 ± 2,4) × 10⁻¹⁶ cm² à 4,15 keV (incertitudes statistiques ; les incertitudes systématiques sont données à part dans l’article).

C’est la première mesure d’une section efficace d’échange de charge réalisée avec des faisceaux d’antiprotons, avec des incertitudes plus faibles que la mesure de 1997 avec de la matière ordinaire.

La théorie passe le test

Les premiers calculs, fondés sur l’approximation dite de Born, ne s’accordaient pas entre eux — rien d’étonnant, notent les auteurs, puisque l’énergie de collision dans le référentiel du centre de masse n’est que d’environ 6,5 électronvolts à 6 keV. Deux méthodes modernes résolvent le problème quantique complet à trois corps : la méthode « Convergent Close Coupling » et les équations de Faddeev–Merkuriev. Elles s’accordent entre elles et, selon l’équipe, montrent un « excellent accord » avec les nouvelles données.

Ensuite : l’ion, puis la chute

Ce n’est pas encore un test de la gravité. La prochaine étape de GBAR est de mesurer la seconde réaction, celle qui fabrique l’ion d’antihydrogène, en commençant par son analogue en matière ordinaire avec des ions hydrogène négatifs fournis par ELENA. Ensemble, les deux taux fixeront combien d’atomes ultra-froids l’expérience pourra lâcher — et donc avec quelle précision elle pourra dire si l’antimatière tombe comme la matière.