L'antimatière tombe-t-elle comme la matière ou… monte-t-elle ? Pour trancher cette épineuse question, l'expérience GBAR (Gravitational Behavior of Antihydrogen at Rest) a pour ambition ultime de mesurer l'accélération d'un atome d'anti-hydrogène dans le champ de gravité terrestre et de la comparer à celle de la matière ordinaire. Un test crucial du principe d'équivalence à la base de la théorie de la relativité générale d'Einstein…
Or, pour espérer voir tomber un anti-atome d'hydrogène d'une hauteur de 20 centimètres, il faut le ralentir à moins d'un mètre par seconde. La voie choisie par GBAR est celle du refroidissement par laser d'un ion positif d'anti-hydrogène (l'équivalent antimatière d'un ion H-), composé d'un antiproton et de deux positons.
Mais il faut auparavant former un atome d'antihydrogène en franchissant les étapes suivantes :
- L'Antiproton Decelerator (AD) du Cern produit des antiprotons ;
- Les antiprotons sont encore décélérés et conditionnés en paquets de particules dans l'anneau ELENA (Extra Low ENergy Antiproton) du Cern ;
- En parallèle, des positons sont produits à l'aide d'électrons issus d'un accélérateur linéaire (linac) et projetés sur une cible dans l'installation GBAR. Ils sont ensuite stockés dans une série de pièges électromagnétiques (dont certains ont été fournis par l'Irfu) ;
- Juste avant l'arrivée du paquet d'antiprotons, les positons sont envoyés sur une couche de silice nanoporeuse, d'où environ un cinquième d'entre eux ressort sous forme de positronium, un atome exotique composé d'un positon et d'un électron ;
- Lorsque le paquet d'antiprotons traverse le « nuage » de positronium, certains d'entre eux captent le positon d'un positronium et deviennent des atomes d'anti-hydrogène.
Une vingtaines d'atomes d'anti-hydrogène
La collaboration GBAR a franchi fin 2022 une étape essentielle en produisant ainsi des atomes d'anti-hydrogène, dont une vingtaine a été détectée au cours d'une expérience de plusieurs jours.
Les scientifiques veulent désormais augmenter le nombre d'atomes d'anti-hydrogène produits afin d'effectuer des mesures de précision sur les atomes d'anti-hydrogène, en particulier un écart d'énergie entre deux niveaux atomiques bien particuliers (le « décalage de Lamb »).
Il leur restera ensuite à produire des ions d'anti-hydrogène positifs, ce qui nécessitera d'accroître encore les performances des faisceaux de particules, et de mettre en œuvre le système optique de refroidissement laser de ces ions et de « photo-détachement » d'un positon, pour observer enfin la chute libre d'un atome d'anti-hydrogène.
Plusieurs expériences en fonctionnement depuis plusieurs années à l'AD ont déjà produit des atomes d'anti-hydrogène. Certaines ont pu piéger ces atomes et effectuer des mesures de précision de leurs propriétés électromagnétiques. La collaboration ALPHA s'est dotée d'une nouvelle installation pour la mesure de leurs propriétés gravitationnelles et pourrait dévoiler avant GBAR le signe de l'accélération mais à terme, GBAR offrira une précision inégalée pour la comparaison entre antimatière et matière.