Dans le cadre d’une expérience visant à mesurer – à un degré extrêmement précis – les rapports charge/masse des protons et des antiprotons, la collaboration BASE dirigée par RIKEN au CERN a découvert que, dans l’incertitude de l’expérience, la matière et l’antimatière réagissent à la gravité de la même manière.
Ce graphique montre comment les variations de la position de la Terre par rapport au Soleil – allant du périastre (le point le plus proche de son orbite) à l’apoapside (le point le plus éloigné) – provoquent de petits changements dans le potentiel gravitationnel du Soleil sur Terre sur une échelle de temps de mois (La Terre atteint son point le plus proche du Soleil en janvier). Les chercheurs ont utilisé ce phénomène dans leurs études sur les particules et leurs jumelles insaisissables, les antiparticules. L’équipe a collecté des données sur plusieurs mois pour évaluer comment ces changements affectaient les propriétés de l’antiproton par rapport au proton. © NATURE.
La matière et l’antimatière créent certains des problèmes les plus intéressants de la physique actuelle. Ils sont essentiellement équivalents, sauf que là où une particule a une charge positive, son antiparticule a une charge négative. À d’autres égards, ils semblent équivalents. Or, l’un des grands mystères de la physique aujourd’hui, connu sous le nom d’«asymétrie baryonique», est que, bien qu’ils semblent équivalents, l’univers semble composé entièrement de matière, avec très peu d’antimatière. Naturellement, les scientifiques du monde entier s’efforcent de trouver quelque chose de différent entre les deux, ce qui pourrait expliquer pourquoi nous existons.
Dans le cadre de cette quête, les scientifiques ont exploré si la matière et l’antimatière interagissent de manière similaire avec la gravité, ou si l’antimatière subirait la gravité d’une manière différente de la matière, ce qui violerait le principe d’équivalence faible d’Einstein. Or, la collaboration BASE a montré, dans des limites strictes, que l’antimatière répond en fait à la gravité de la même manière que la matière. La découverte, publiée dans Nature, provenait en fait d’une expérience différente, qui examinait les rapports charge/masse des protons et des antiprotons, l’une des autres mesures importantes qui pourraient déterminer la principale différence entre les deux.
Ce travail a nécessité 18 mois de travail à l’usine d’antimatière du CERN. Pour effectuer les mesures, l’équipe a confiné des antiprotons et des ions hydrogène chargés négativement, qu’ils ont utilisés comme proxy pour les protons, dans un piège de Penning. Dans cet appareil, une particule suit une trajectoire cyclique avec une fréquence, proche de la fréquence du cyclotron, qui évolue avec l’intensité du champ magnétique du piège et le rapport charge/masse de la particule. En introduisant des antiprotons et des ions d’hydrogène chargés négativement dans le piège, un par un, ils ont pu mesurer, dans des conditions identiques, les fréquences cyclotron des deux types de particules, en comparant leurs rapports charge/masse. Selon Stefan Ulmer, le chef du projet, “En faisant cela, nous avons pu obtenir un résultat essentiellement équivalent, à un degré quatre fois plus précis que les mesures précédentes. À ce niveau d’invariance CPT, la causalité et la localité tiennent dans les théories relativistes des champs quantiques du modèle standard”.
Fait intéressant, le groupe a utilisé les mesures pour tester une loi physique fondamentale connue sous le nom de principe d’équivalence faible. Selon ce principe, différents corps dans le même champ gravitationnel devraient subir la même accélération en l’absence de forces de frottement. Étant donné que l’expérience BASE a été placée à la surface de la Terre, les mesures de fréquence cyclotron des protons et des antiprotons ont été effectuées dans le champ gravitationnel à la surface de la Terre, et toute différence entre l’interaction gravitationnelle des protons et des antiprotons se traduirait par une différence entre la fréquences cyclotroniques. En échantillonnant le champ gravitationnel de la Terre alors que la planète tournait autour du Soleil, les scientifiques ont découvert que la matière et l’antimatière répondaient à la gravité de la même manière jusqu’à un degré de trois parties sur 100, ce qui signifie que l’accélération gravitationnelle de la matière et de l’antimatière est identique à 97% de l’accélération ressentie.
Ulmer ajoute que ces mesures pourraient conduire à une nouvelle physique. Il dit: “La précision de 3% de l’interaction gravitationnelle obtenue dans cette étude est comparable à l’objectif de précision de l’interaction gravitationnelle entre l’antimatière et la matière que d’autres groupes de recherche prévoient de mesurer à l’aide d’atomes anti-hydrogène en chute libre. Si les résultats de notre étude diffèrent de ceux des autres groupes, cela pourrait conduire à l’aube d’une physique complètement nouvelle”. Le groupe de recherche, dirigé par RIKEN, comprenait des scientifiques de partenaires internationaux tels que le CERN, la Max Planck Society, l’Institut national de métrologie en Allemagne PTB, les universités de Mayence et de Hanovre, l’Université de Tokyo et GSI Darmstadt.
Voir la publication
Borchert, M.J., Devlin, J.A., Erlewein, S.R. et al. A 16-parts-per-trillion measurement of the antiproton-to-proton charge–mass ratio. Nature 601, 53–57 (2022).