III) Difficultés de preuves expérimentales
1 - Observations naturelles
Pour le monde scientifique, la meilleure preuve expérimentale sur le sujet résiderait dans l’observation des neutrinos et antineutrinos émis par la supernova SN 1987A en 1987.
Leur observation simultanée par 3 détecteurs ferait pencher en faveur d’une gravité « normale » de l’antimatière.
A cette observation, les détracteurs opposent un problème de fiabilité des détecteurs : ceux-ci sont encore aujourd’hui incapables de distinguer parfaitement neutrinos et antineutrinos.
Cette observation naturelle est donc considérée par certains comme non concluante.
Anneau de poussière de la supernova SN 1987
Par ailleurs, la rareté du phénomène – la dernière supernova qui se soit manifestée à une distance proche comparable date de 1867 – laisse peu d’espoir de répondre à la problématique par l’observation naturelle.
2 - Expérimentations en laboratoire
L’expérimentation en laboratoire se heurte à 3 difficultés importantes :
Phénomène d’annihilation.
Ce phénomène peut être résumé par l’équation : matière + antimatière → énergie
Il s’agit donc d’éviter au cours des expérimentations menées tout contact de l’antimatière avec la matière pour éviter sa destruction...d’où la difficulté à conserver, stocker l’antimatière.
CERN : Comment conserver l'antimatière
Prépondérance de l’effet électromagnétique
Compte tenu de la différence entre masse et charge électrique, les forces d’ordre électromagnétique sont beaucoup plus importantes que les forces d’interaction gravitationnelle.
Ainsi, il est impossible d’étudier les phénomènes de gravitation (ou antigravitation) sur une particule chargée (et donc soumise à une force électrique) : d’où l’échec de l’expérience de FairBank, menée sur les électrons et positrons.
Les scientifiques sont donc obligés de créer des particules d’antimatière neutre d’où le recours à l’antiatome d’hydrogène - antiatome le plus facile à fabriquer (nécessitant seulement un antiproton et un positron) et par définition électriquement neutre (expériences ATHENA et ATRAP).
Hydrogène et antihydrogène
Energie phénoménale mise en jeu requise par la réaction
Toute d’abord, pour créer de l’antimatière, il est nécessaire de concentrer une énergie très importante dans un espace très petit (de l’ordre de l’atome).
Ensuite, la particule d’antimatière formée (par exemple antiatome) possède une énergie colossale. Par exemple, les antiatomes d’hydrogène créés au CERN en 1995, étaient très énergétiques et se déplaçaient à une vitesse proche de celle de la lumière. Ils se sont donc désintégrés en seulement 40 milliardièmes de secondes….d’où le recours à des décélérateur de particules (tel le LHC) et d’autres en cours de conception.
Energie et antimatière
3 - Les principales expériences dans le monde
Etat des connaissances sur l'antimatière
L’ampleur des expériences
Les expériences concernant l’antimatière sont complexes. Elles nécessitent des installations couteuses et la collaboration de nombreux scientifiques.
Moyens matériels : il existe peu d’installations dans le monde capables de traiter la matière au niveau particules. Il est nécessaire d’avoir des accélérateurs et/ou des décélérateurs de particules. Ces équipements sont basés majoritairement à Genève au CERN , mais en trouve aussi ailleurs en Europe (Allemagne, France) ainsi qu’aux Etats-Unis en Chine, au Japon, en Corée , en Russie et Biélorussie.
Moyens humains : les équipes de recherches sont basées dans de nombreux instituts et universités dans le monde et travaillent en collaboration. Les expériences sont souvent le fruit de la collaboration d’équipes internationales sur plusieurs années.
Quelques chiffres : une des expériences sur le plus grand anneau d’accélération de particules au CERN ( expérience LHCb) regroupait en septembre 2016 environ 769 scientifiques représentant 69 universités et laboratoires différents dans 16 pays, avec le support de 400 techniciens et ingénieurs (Sep. 2016).
CERN : L'anneau de 27km de circonférence du LHC
Les principales expériences
Bevatron (1955 et 1956)
Emilio Segré, Owen Chamberlain, Clyde Wiegand découvrent l’antiproton en 1955 et l’antineutron en 1956 à l’aide de l’accélérateur de particules Bevatron (Billions of eV Synchroton ) à Berkeley en Californie.
BABAR (1999-2008)
L’expérience Babar a permis de produire plus de 32 millions de paires particules-antiparticules dans le collisionneur électrons-position du SLAC (Standford Linear Accelerator Center ) en Californie. Elle est le fruit d’une collaboration internationale regroupant plus de 500 chercheurs, dans 74 instituts.
CP-LEAR (1985-1996) :
CP-LEAR a pour but de comprendre le comportement des antiprotons pour expliquer la rareté de l’antimatière dans l’Univers. Elle a permis de produire des antikaons et des kaons à partir de collision atomes d’hydrogène/antiprotons.
En 1995, l’expérience CP-LEAR a permis de générer 9 atomes d’antihydrogène. Ils se sont désintégrés en seulement 40 milliardièmes de secondes, car ils é étaient très énergétiques et se déplaçaient à une vitesse proche de celle de la lumière soit 300000Km/s.
CP-LEAR a utilisé le l’anneau d’antiprotons de basse énergie LEAR (Low Energy Antiproton Ring) au CERN.
ATHENA (2000-2004) :
ATHENA a pour but la comparaison des propriétés de l’hydrogène et antihydrogène afin de vérifier la symétrie entre matière et antimatière.
En 2002, L’expérience ATHENA a annoncé en 2002 la production quasi « industrielle » de 50000 atomes d’antihydrogène, qui avaient été ralentis à une vitesse de 1km/s.
ATHENA a utilisé le Décélérateur à antiprotons (AD), installé en 1990 au CERN. Il permet de ralentir les antiprotons et de diminuer leur énergie afin de faciliter leur étude.
CERN : Salle expérience ATHENA
ATRAP (2000-Aujourd’hui)
ATRAP compare les atomes d’hydrogène et d’antihydrogène. Elle a pour but de refroidir autant que possible ces atomes afin de les ralentir pour les étudier
Ses objectifs sont similaires à ATHENA, les méthodes d’expérimentation diffèrent. Elle a permis de mesurer par exemple la charge, la masse et le moment magnétique de l’antiproton.
ALPHA (2005- Aujourd’hui) :
ALPHA a été lancée fin 2005 et fait suite de l’expérience ATHENA. Elle a pour but de créer, piéger et capturer de l’antimatière pour pouvoir l’étudier.
En 2011, ALPHA a réussi à piéger de l’antimatière pendant plus de 16 minutes. C’est une durée de vie suffisante pour commencer à les étudier en utilisant un champ magnétique et des anti protons de basses énergies.
LHC (2008-Aujourd’hui)
Le LHC (Large Hadron Collider) Grand collisionneur de hadrons a été mis en service au CERN en septembre 2008. C’est un anneau de 27 km de circonférence. Il permet la collision de faisceaux de particules en quatre points de l’anneau. Il accélère les hadrons : soit des protons, soit des ions. (Voir le schéma hiérarchie des particules )
En novembre 2015, il a permis de provoquer jusqu’à 600 millions de collisions par seconde
Il sert de base pour 4 expériences internationales, utilisant les quatre détecteurs de particules situés à chaque point de collision :
ATLAS (Recherches sur la matière noire)
CMS (Solénoïde Compact pour Muons : recherches sur le bosson de Higgs et la matière noire)
ALICE (Recherches sur les quarks et leurs liens)
LHCb (Recherches sur le quark b)
LHCb (2013-Aujourd'hui)
L’objectif de LHCB est d’essayer de comprendre pourquoi l’antimatière est si peu présente dans notre univers en analysant les différences entre matière et antimatière, en particulier au niveau d’un quark : le quark b (beauty).
CERN : Caverne expérimentale du LHCb
AEGIS (2013- Aujourd’hui)
AEGIS (Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy) a pour objectif de mesurer les effets de la gravitation terrestre (g) sur l’antimatière en mesurant l’effet de la gravitation sur l’antihydrogène. Elle compte pouvoir mesurer la constante g pour des atomes d’antihydrogène.
BASE (2015- Aujourd’hui)
L'expérience BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) utilisant le Décélérateur d'antiprotons (AD) du CERN a réussi à conserver pendant plus d'un an un paquet d'antiprotons piégés dans son réservoir.
CERN - Collision d'ions de plomb dans le détecteur du LHCb
