C'est une loi fondamentale de la physique que même le plus ardent des scientifiques peut définir :la matière tombe sous l'effet de la gravité. Mais qu'en est-il de l'antimatière, qui a la même masse mais une charge électrique et un spin opposés ? Selon la théorie de la relativité générale d'Einstein, la gravité devrait traiter la matière et l'antimatière de manière identique. Trouver la moindre différence dans leur taux de chute libre conduirait donc à une révolution dans notre compréhension. Alors que la chute libre de la matière a été mesurée avec une précision d'environ une partie sur 100 000 milliards, aucune mesure directe de l'antimatière n'a encore été effectuée en raison de la difficulté d'en produire et d'en contenir de grandes quantités.

Dans un article récemment publié dans la revue Nature Communications Physique , la collaboration AEgIS au décélérateur d'antiprotons (AD) du CERN marque une étape importante vers cet objectif. En utilisant de nouvelles techniques développées en 2018, l'équipe a démontré la production pulsée d'atomes d'antihydrogène, ce qui permet de déterminer avec une grande précision le moment auquel les antiatomes se forment.

"C'est la première fois qu'une formation pulsée d'antihydrogène est établie sur des échelles de temps qui ouvrent la porte à une manipulation simultanée, par lasers ou champs extérieurs, des atomes formés, ainsi qu'à la possibilité d'appliquer la même méthode à la formation pulsée d'autres atomes antiprotoniques, ", déclare Michael Doser, porte-parole de l'AEgIS du CERN. "Connaître le moment de la formation d'antihydrogène est un outil puissant."

Le CERN est le seul endroit au monde où l'antihydrogène peut être produit et étudié en détail. L'antihydrogène est un système idéal pour tester la chute libre gravitationnelle et d'autres propriétés fondamentales de l'antimatière car il a une longue durée de vie et est électriquement neutre. La première production d'antihydrogène à faible énergie, rapporté en 2002 par les collaborations ATHENA et ATRAP à l'AD, impliquait la recombinaison « à trois corps » de nuages ​​d'antiprotons et de positons. Depuis, progrès constants de la collaboration ALPHA de l'AD dans la production, la manipulation et le piégeage de quantités toujours plus importantes d'antihydrogène ont permis de déterminer avec précision les propriétés spectroscopiques et autres de l'antimatière.

Alors que la recombinaison à trois corps aboutit à une source d'antihydrogène presque continue, dans lequel il n'est pas possible de marquer le moment de la formation de l'antiatome, AEgIS a utilisé un procédé alternatif "d'échange de charge" par lequel la formation d'atomes d'antihydrogène est déclenchée par une impulsion laser précise. Cela permet de déterminer le moment auquel 90 % des atomes sont produits avec une incertitude de l'ordre de 100 ns.

Plusieurs étapes supplémentaires sont nécessaires avant qu'AEgIS puisse mesurer l'influence de la gravité sur l'antimatière, comprenant la formation d'un faisceau pulsé, de plus grandes quantités d'antihydrogène, et la capacité de le rendre plus froid. "Avec seulement trois mois de faisceau cette année, et beaucoup de nouveaux équipements à mettre en service, très probablement 2022 sera l'année où nous établirons la formation de faisceaux pulsés, ce qui est une condition préalable pour que nous puissions effectuer une mesure de la gravité, " explique Doser.

Suite à une mesure de preuve de principe par la collaboration ALPHA en 2013, ALPHA, AEgIS et une troisième expérience AD ​​appelée GBAR prévoient tous de mesurer la chute libre des antiatomes au niveau de 1% dans les années à venir. Chacun utilise des techniques différentes, et tous les trois ont récemment été raccordés au nouveau synchrotron ELENA, qui permet la production d'antiprotons de très basse énergie.

Étant donné que la majeure partie de la masse des antinoyaux provient de la forte force qui lie les quarks entre eux, les physiciens pensent qu'il est peu probable que l'antimatière subisse une force gravitationnelle opposée à la matière. Néanmoins, des mesures précises de la chute libre des antiatomes pourraient révéler des différences subtiles qui ouvriraient une faille importante dans notre compréhension actuelle.