En direct du "CERN" ...

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Fabiola sFabiola Gianotti / Physicienne Italienne / Directrice Générale du CERN (Photo CERN)

 

 

L’antimatière joue-t-elle avec la gravité ?

 

Dans les laboratoires du CERN de Genève, une guerre secrète fait rage : la "bataille" de l’antigravité !
Il ne s’agit pas d’un conflit intergalactique mettant en jeu une propulsion secrète, mais bien de recherche en science fondamentale ! 

L’objectif est simple, du moins en apparence : montrer si oui ou non l’antimatière "tombe" comme la matière ordinaire !
Trois équipes concurrentes travaillent d’arrache-pied avec l’ambition de devenir les premiers à mesurer l’intensité avec laquelle la gravité agit sur l’antimatière !

 

Elena view group

Les équipes "concurrentes" (photo CERN)

 

L’antimatière est le miroir destructeur de la matière ordinaire !
Si un antiatome rencontre un atome, les deux s’annihilent instantanément dans un flash de pure énergie. C’est d’ailleurs cette propriété particulière qui rend leur étude si compliquée !
Si un atome d’hydrogène classique est composé d’un proton (chargé positivement) autour duquel tourne un électron (chargé négativement), l’antiatome correspondant est au contraire formé d’un antiproton (chargé négativement) autour duquel tourne un antiélectron (chargé positivement).

En théorie, matière et antimatière se seraient formées en quantités égales après le big bang !
Mais pour une raison inconnue, l’antimatière a complètement disparu !
La seule manière d’étudier cet objet étrange est de le fabriquer en laboratoire. Fabriquer des antiprotons ou des antiélectrons n’est pas très compliqué. Le sodium radioactif, par exemple, produit naturellement des antiélectrons en se désintégrant. Les antiprotons se forment tout aussi naturellement lorsqu’on bombarde des atomes classiques avec des particules très énergétiques.

Les problèmes viennent après, lorsqu’il faut ralentir ces antiparticules (notamment les antiprotons plus rapides et plus lourds) pour les associer entre elles et former ainsi des antiatomes.
La chose est si difficile à réaliser que le premier antiatome de l’histoire ne fut créé qu’en 1995, au CERN déjà, alors que cela faisait plus de 50 ans que nous avions réussi à créer des antiprotons et des antiélectrons. Et il fallut attendre encore 15 ans pour que les chercheurs de la collaboration Alpha, toujours au CERN, ne réussissent à garder des antiatomes stables pendant un temps de 1 000 secondes, en 2011.

 

Elena view

Décélérateur d'antiprotons "Elena" (photo CERN)

 

Un anneau de 200 mètres de circonférence, le décélérateur d’antiprotons ou "AD" , installé en 2000, est au coeur de cette réussite !
Protégé par de lourds blocs de béton armé au sein du hangar 193, il s’agit de la colonne vertébrale de l’"Antimatter Factory", le seul endroit au monde où les scientifiques réussissent à produire de l’antimatière.
Cet anneau délimite une arène, littéralement, dans laquelle trois expériences se partagent actuellement les précieux antiprotons ralentis.
Chaque mètre carré est important et les rivalités entre les groupes n’ont rien de virtuelles.

"Je n’aime pas perdre, seule la première place m’intéresse", me confie Jeffrey Hangst , directeur "d’Alpha-g", l’une des trois expériences dédiées à la mesure de l’antigravité.

La première étape sera donc de déterminer son signe : autrement dit, s’assurer que l’antimatière tombe bien vers le bas comme la matière classique ! Tout laisse penser que ce sera bien le cas ! Mais l’histoire des sciences est pleine de surprises. Il se pourrait aussi que l’antimatière tombe un tout petit peu plus vite, ou plus lentement, que la matière ordinaire.
Ce serait déjà un résultat de première importance .
Que ce soit pour expliquer l’absence d’antimatière dans l’univers ou comprendre la nature de la gravité, seule force qui n’ait jamais réussi à être unifiée dans une théorie plus large avec les autres types d’interactions (les forces électromagnétiques, les forces nucléaires faible et forte).

La plus ancienne expérience sur l’antigravité, "AEgIS", a démarré en 2014.
Son objectif était de former des antiatomes puis de les ralentir suffisamment pour que l’on puisse détecter la courbure de leur trajectoire liée à la gravité.
Exactement comme on peut déduire l’effet de la gravité sur un boulet de canon lorsqu’on regarde la manière dont il plonge vers le sol.
Mais pour le moment, rien ne marche comme prévu ! 

"Nous avançons, mais il est difficile de dire quand nous aurons notre premier résultat",  m'explique Michael Doser, le directeur de la seconde expérience. "Les autres vous diront que nous n’y arriverons jamais, mais il ne faut pas les écouter"  ajoute-t-il malicieusement !

De l’autre côté de l’arène, le dernier arrivé est "gBAR" que l'on peut considérer comme étant "la plus française" des trois expériences, même si elle rassemble aussi l’Allemagne, le Japon, le Royaume-Uni, la Russie, la Pologne et la Suisse.
Ici, l’idée est de fabriquer les premiers "anti-ions" : un antiproton autour duquel tourneraient deux antiélectrons.

"Un ion anti-hydrogène est chargé électriquement, il serait donc plus facile à manipuler qu’un antiatome", me rappelle Patrice Pérez, le directeur de la troisième expérience. "Nous pourrions le rendre quasiment immobile une fois produit. Il n’y aurait plus qu’à le laisser tomber pour voir ce qui se passe" . 

 

La construction d’un décélérateur d’antiprotons supplémentaire, "Elena", de 30 mètres de diamètre, était nécessaire pour tenter la production de ces anti-ions. Ce dernier est en cours de test. Il devrait fournir ses premiers faisceaux à l’expérience gBAR avant la fin de cette année .

Production d antiprotons lents

 

Fin 2018, tous les accélérateurs du CERN seront mis à l’arrêt pour une longue période de maintenance.
Peu de chances qu’AEgIS ou gBAR n’arrivent à déterminer une première valeur de la "constante d’antigravitation" d’ici là ! 
Le troisième protagoniste, Alpha-g, pourra-t-il y parvenir ?

L’idée est cette fois-ci de piéger des anti-atomes classiques dans des pièges magnétiques avant de les laisser tomber.
Gros avantage, le dispositif expérimental est globalement le même que celui de l’expérience Alpha, sa grande soeur, qui a accumulé les succès.

"Il suffit "juste" d’en construire un nouveau à la verticale", me dit Jeffrey Hangst. "Je pense que nous avons la technologie la plus mûre. Nous sommes les seuls à pouvoir être opérationnels très rapidement. Mais nous avons un problème avec la construction de l’aimant. Les délais ne seront peut-être pas suffisants pour parvenir à une mesure avant la fermeture des accélérateurs fin 2018" .

"Ils auront peut-être une mesure, mais ils n’auront jamais la précision requise pour détecter une différence avec la matière classique" , réplique aussitôt  Patrice Pérez. "Ils ne se risquent d’ailleurs pas à publier la moindre prévision ... n'est-ce pas les gars ?"  

 

La "bataille" s’annonce donc longue et âpre entre les trois concurrents !
Et probablement sans vainqueur avant 2021 ... au plus tôt !!

 

Cern accelerator complex 2016

 

Philippe Clément-Béal .

 

 

 

 

Commentaires (2)

Daniel
  • 1. Daniel | 22/08/2017
Bonjour cher ami .

Quelle chance ont ceux qui ont les capacités pour être associés à de tels projets et je les envie .
D'autant que je n'arrive pas à "matérialiser" ce qui est décrit et qui pourtant doit être élémentaire ?

""un flash de pure énergie"". Mais l’énergie, c'est quoi ?
Si j'ai bien compris, il ne resterait physiquement rien après la rencontre matière-antimatière.
Le flash ne serait que la trace laissée par les particules lors de leur "évaporation", un peu comme un feux d'artifice qui ne laisserait pas de cendres ?

L’énergie serait donc.....rien ?

Je me demandais également : "" Protégé par de lourds blocs de béton armé au sein du hangar 193...."""
Pourquoi de telles protections ?
Risques d'explosions (cryogénie hélium), risques de radiations ou d’immixtion de rayonnements ou.... ?

Quoi qu'il en soit, vos billets sont passionnants.

Meilleures amitiés, Daniel
ph-clement-beal
  • 2. ph-clement-beal (site web) | 23/08/2017
Bonjour Daniel !
C'est toujours pour moi un grand plaisir de vous lire !

Pour répondre à votre question sur l'énergie :
Dans son sens commun , le mot "énergie" désigne tout ce qui peut nous permettre d'exécuter un "travail" quelconque , comme par exemple produire de la chaleur , de la lumière ou bien encore , initier un mouvement .
En physique pure , c'est un peu différent , cela devient une grandeur "scalaire" dont la valeur est définie par un nombre seul qui s'exprime en ML2T-2 (joules) .
Les lois de thermodynamique nous enseignent et nous prouvent , notamment par le "théorème de Noether" , que l'énergie se "conserve" ! Elle n'est ni créée ni détruite !
Même lorsqu'elle ne se manifeste pas d'une manière ou d'une autre , l'énergie ne peut pas être "rien" puisqu'elle est présente partout en permanence .

Avant de passer au niveau subatomique , prenons d'abord un exemple qui met en évidence ce principe au niveau de notre quotidien macroscopique .
Quand un skieur (oui ... en physique , nous adorons tout ce qui glisse , roule et vole) se tient en haut d'une piste , sans faire le moindre mouvement , il possède déjà une énergie "potentielle" de pesanteur qui s'écrit comme ceci : Epp = mgh ("m" étant sa masse , "g" le coefficient d'accélération de gravité et "h" l'altitude à laquelle il se trouve)
Quand il entame sa descente , il acquiert de la vitesse , donc de l'énergie "cinétique" qui s'exprime Ec = 1/2 mv2 ("m" étant sa masse et "v2" sa vitesse au carré) , et qui vient se substituer à la "potentielle" .
A l'arrivée , lors de l'arrêt complet , ces deux énergies deviennent nulles ! On pourrait donc alors penser que l'énergie n'a pas été conservée ! Or , il n'en est rien , car elle s'est transformée en énergie "thermique" au moment du freinage .L'énergie ne s'est donc pas évaporée et de ce fait le premier principe de la thermodynamique est respecté !

Voyons maintenant si ces trois types d'énergie ont la même valeur !
Pour cela , nous allons nous positionner au niveau de la mer , à l'altitude zéro , en tenant dans la main un boulet de canon de 3kg .
Nous voulons augmenter son énergie de 10 000 joules ! Pour cela , nous disposons de trois moyens possibles :
1 ) Elever son altitude de 1 000 mètres pour qu'il prenne ses 10 000 j sous forme "Epp" ,
2 ) Le projeter à la vitesse de 80m/seconde pour lui donner ses 10 000 j sous forme "Ec" ,
3) Et enfin , le chauffer pour augmenter sa température de 15°C , afin de lui donner ses 10 000 j sous forme d'énergie "thermique"
De prime abord , ces trois façons de donner de l'énergie à notre boulet peuvent paraître équivalentes , mais en réalité , elles ne le sont pas !
En effet , dans les deux premiers cas , nous pourrons récupérer très facilement l'énergie de notre boulet via un système de leviers , de cordes et de poulies pour exécuter une tâche quelconque !
Par contre , dans le cas de l'énergie thermique , pas moyen ! Il sera impossible au boulet de transformer la chaleur en mouvement !
Nous entrons là dans le second principe de la thermodynamique qui nous dit que "l'entropie" (énergie "inutile") ne peut qu'augmenter !
Ce qui , en clair , veut dire que dans tout système , l'énergie ne se perd pas mais que sa part "inutile" augmente !
Pour imager ce second principe , les thermodynamiciens aiment à employer une formule assez explicite :
"Quand tu descendras un escalier à califourchon sur la rampe , tu ressentiras un échauffement de ton postérieur ... mais ce n'est pas en te chauffant le cul que tu pourras remonter" !!

Concernant l'énergie "matière/ antimatière" :
Dans le monde "ordinaire" , l'antimatière est extrêmement rare et lorsqu'elle se manifeste (sur un temps très court), elle forme avec la matière un "couple" assez étrange .
En effet , particule et antiparticule réalisent en permanence l'équivalence de la masse et de l'énergie selon la formule bien connue : E= mc2 .
Dans certains cas , lorsqu'elles se rencontrent , elles s'annihilent mutuellement en énergie , dans d'autres ,"l'impact" produit une telle quantité d'énergie que matière et antimatière se multiplient en une sorte de génération spontanée , faisant apparaître une autre paire à l'identique , parfaitement symétrique et ainsi de suite ...
Annihilation et création sont donc les deux manifestations "ordinaires" de l'antimatière dans notre monde de matière . Le tout sur une durée d'environ un milliardième de seconde .
L'antimatière est donc ainsi continuellement produite et détruite dans notre univers quotidien .

Dans le cas , par exemple , du positon qui est l'antiparticule de l'électron , la désintégration mutuelle produit une quantité d'énergie bien précise .
L'ensemble de la masse des deux particules est transformée en énergie, sous forme de deux photons ou particules de lumière ayant chacun une énergie de 511 keV ; L'annihilation "positon-électron" se traduit donc par un excès de lumière, à une énergie très précise appelée aussi "raie d'annihilation".

Le confinement des dispositifs dans d'épais murs de béton sert plus à protéger les expériences de toute "pollution" électromagnétique extérieure que pour palier à d'éventuelles "fuites" de particules "incontrôlables" !

En espérant cher Daniel , avoir compris votre questionnement et y avoir en partie répondu !
Bien amicalement !
Philippe .





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