Si vous deviez laisser tomber une pile d'antimatière, est-ce qu'elle tomberait vers le haut ou vers le bas ?
La théorie de la relativité générale d’Einstein prédit que l’antimatière tomberait dans le champ gravitationnel de la Terre, et c’est ce à quoi la plupart des physiciens s’attendraient. Mais bien qu’il s’agisse de notre meilleure description de la gravité, nous savons qu’il existe des lacunes dans notre compréhension. En fait, la théorie d’Einstein prédit son propre échec aux extrêmes comme les singularités spatio-temporelles à l’intérieur des trous noirs.
Il existe également des spéculations quant à savoir si le contraire pourrait être vrai. Nous ne pouvons pas expliquer l’expansion et la géométrie de l’univers avec ce que nous savons de la gravité, à moins qu’il n’y ait d’énormes quantités de masse que nous ne pouvons pas voir. Nous expliquons cela à travers les concepts d’énergie noire et de matière noire qui interagissent avec la gravité et façonnent l’univers lumineux. Ces forces sont mystérieuses et il y a encore beaucoup de choses que nous n'avons pas encore compris.
Une possibilité intéressante est que l’antimatière puisse se comporter différemment de la matière en matière de gravité, et que la matière et l’antimatière pourraient même se repousser. Cela pourrait aider à expliquer la forme et l'expansion de l'univers sans l'existence d'énergie noire.
Mais rien n’est vraiment connu tant que cela n’a pas été observé. Et il est vraiment difficile d’observer l’antimatière car dès qu’elle entre en collision avec la matière normale, les deux sont annihilées.
La collaboration ALPHA est une équipe internationale créée pour examiner le comportement et les propriétés de l'antimatière. Les résultats de leur premier test d'antimatière en chute libre ont été publiés cette semaine dans Nature.
L'étude faisait partie d'un effort international de la collaboration ALPHA, qui comprenait des auteurs de plusieurs institutions canadiennes :TRIUMF, l'Université de la Colombie-Britannique, l'Université York, l'Université de Calgary, l'Université Simon Fraser et le British Columbia Institute of Technology.
Pour leur étude, ils devaient fabriquer de l’antihydrogène à observer, car il s’agit du plus petit atome neutre pouvant être fabriqué. La gravité est la plus faible des quatre forces connues qui agissent sur les masses, et donc toute charge électrique rendrait impossible l'observation des effets de la gravité.
Comme ils l’ont fait auparavant, ils ont fabriqué des antiprotons dans un accélérateur de particules et des antiélectrons (positons) par désintégration radioactive. Ceux-ci sont d’abord conservés séparément et leurs charges les rendent relativement faciles à piéger dans un vide presque parfait, les éloignant de la matière grâce à des champs électriques. Une fois prêts, les chercheurs d'ALPHA rapprochent les deux pour créer des atomes d'antihydrogène de faible énergie.
Une fois combiné, l’antihydrogène résultant est neutre en charge et les champs électriques ne peuvent plus le retenir. Bien que la majeure partie de l’antihydrogène heurte les parois du piège et soit détruite, des électroaimants puissants profitent des faibles propriétés magnétiques de l’antihydrogène pour retenir le reste. Pour cette étude, l'équipe a construit un piège vertical de plusieurs mètres de haut pour contenir l'antihydrogène.
À l’intérieur du piège, l’équipe a pris sa pile d’atomes d’antihydrogène et les a libérés lentement, réduisant progressivement le courant dans leurs électro-aimants de manière synchronisée et symétrique afin que l’antihydrogène soit libre de s’échapper par le haut ou par le bas. Les positions des événements d'annihilation ultérieurs pourraient alors être mesurées pour voir s'ils tombaient vers le haut ou vers le bas.
L’antihydrogène observé est encore suffisamment énergétique pour que l’on s’attende à ce qu’une partie s’envole dans chaque direction. Même les piles d’hydrogène ordinaire devraient avoir une distribution par gravité, avec environ 20 % des atomes sortant par le haut et le reste tombant par le bas. Les résultats ont donc été comparés à des simulations pour l'hydrogène dans les mêmes conditions.
Mais nous savons également que les champs magnétiques, que l’équipe a également utilisés dans le cadre de la conception du piège à antihydrogène, affectent leur mouvement. Pour contrecarrer les effets de toute interférence magnétique parasite, ils ont répété le même test avec une poussée magnétique de différentes forces dans les deux sens.
Dans toutes les conditions testées, l'antihydrogène s'est comporté selon un schéma similaire aux résultats simulés pour l'hydrogène ordinaire :il a tendance à tomber sous l'influence de la gravité comme la matière normale.
La force observée a été calculée à 75 pour cent de ce qui compte, à plus ou moins 29 pour cent d'erreur qui pourrait provenir de sources statistiques, systématiques ou de simulation.
Bien que la correspondance avec les valeurs simulées ne soit pas parfaite, les preuves sont cohérentes avec une force gravitationnelle attractive et excluent la possibilité d'une force répulsive matière-antimatière.
Les prochaines étapes incluent l’utilisation de techniques telles que le refroidissement laser pour ralentir davantage l’antihydrogène afin de prendre des mesures encore plus précises dans les études futures. Cela permettra à l'équipe de mieux mesurer le taux d'accélération exact et de découvrir si l'attraction gravitationnelle est la même pour l'antimatière que pour la matière.
Il s'agit d'un moment passionnant dans la physique des particules qui nous donne un aperçu de la nature de l'univers.