Le maître de l’antimatière

Remarque : Assurez-vous de maintenir l’environnement sous vide, sous le vide le plus pur qui soit, sans quoi l’antimatière se combinera avec la matière correspondante, et toutes deux s’annihileront dans un éclatement d’énergie pure. Si tout se passe à la perfection, vous serez sur le point de concocter de l’antihydrogène – et d’aider à résoudre l’une des questions clés que se posent les physiciens : « L’antimatière et la matière sont-elles parfaitement symétriques? ».

« L’antihydrogène est extraordinairement difficile à créer », explique Eric Hessels, professeur de physique à l’Université York et membre de l’ATRAP, une équipe internationale qui a produit en 2002 un nombre abondant d’atomes d’antihydrogène au laboratoire européen de physique des particules du CERN, situé près de Genève. Le professeur Hessels est l’un des six lauréats d’une Bourse Steacie du CRSNG de 2004.

Aider à produire de l’antihydrogène est justement le genre de défi que le chercheur aime relever en physique des particules, domaine de haute technicité. Son laboratoire de l’Université York est un dédale de gadgets physiques complexes conçus pour faire des mesures atomiques extrêmement précises.

En plus de sa chasse à l’antihydrogène, son autre projet important consiste en une entreprise épique d’une durée de six ans visant à mesurer avec une précision de neuf chiffres significatifs l’énergie requise pour faire passer un électron d’une orbite à une autre dans un atome d’hélium. Eric Hessels détient déjà le record mondial pour cet exploit, qui équivaut à mesurer le diamètre du lac Ontario avec une précision équivalent à moins que l’épaisseur d’un cheveu. Cette mesure est importante parce qu’elle permet aux physiciens de calculer plus précisément la constante de la structure fine, une valeur qui est un élément fondamental des calculs en physique quantique.

Les techniques de mesure précises que le professeur Hessels a perfectionnées dans son laboratoire exigent la même patience et le même degré élevé d’attention aux détails que la création de l’antihydrogène.

L’antihydrogène est le plus simple des antiatomes. En effet, il est constitué d’un seul antiproton entouré d’un positron (on appelle habituellement les antiélectrons des positrons), et on ignore s’il existe à l’état naturel quelque part dans l’univers.

Les scientifiques ont produit pour la première fois de l’antihydrogène en 1996, au Fermilab, près de Chicago. Toutefois, ces antiatomes se déplaçaient à une vitesse proche de celle de la lumière, trop rapidement pour être stockés ou étudiés. Le défi de l’équipe ATRAP, et celui d’un groupe appelé ATHENA, qui travaille également au CERN, était de trouver un moyen fiable de créer des atomes d’antihydrogène en abondance, afin de les étudier par la suite.

C’est alors qu’intervient Eric Hessels, « jumeleur » d’antiparticules.

« C’est comme si on avait une poignée de planètes et une poignée de soleils. On ne peut pas simplement les mélanger ensemble et espérer qu’une réaction extraordinairement délicate se produise – c’est-à-dire que les planètes se mettent à tourner en orbite autour des soleils », explique le professeur Hessels, titulaire de la Chaire de recherche du Canada en physique atomique.

Avec l’équipe ATRAP, il a aidé à mettre au point une technique appelée recombinaison à trois corps, dans laquelle on utilise un positron comme une bille à jouer pour frapper un autre positron et le projeter en orbite autour d’un antiproton afin de produire de l’antihydrogène. Le processus a lieu dans un réservoir en métal de quelques litres (l’environnement sous vide le plus pur du monde) entouré d’un aimant de deux mètres.

L’équipe ATRAP est parvenue à raffiner la technique de fabrication de l’antihydrogène et à entrevoir les antiatomes avant leur fuite pendant un intervalle d’un millionième de seconde. (Puisque leur charge est neutre, les atomes d’antihydrogène ne peuvent être retenus à l’aide de champs électriques.) Ces coups d’œil fugaces ont été suffisants pour permettre aux chercheurs de commencer à mesurer les antiatomes et de déceler des indices de leur grosseur.

Dans le cadre des recherches effectuées grâce à la Bourse Steacie du CRSNG, le professeur Hessels travaillera avec l’équipe ATRAP afin de maintenir des particules d’antihydrogène sous vide au moyen d’un champ magnétique pour ainsi pouvoir les observer et les mesurer pendant des heures.

« Nous aimerions faire des mesures précises de l’antihydrogène et étudier les niveaux d’énergie de cette antimatière avec le plus haut degré de précision possible afin de comparer ensuite ces niveaux d’énergie avec ceux de l’hydrogène ordinaire », indique le physicien.

On pense que ces mesures de l’antiatome apporteront des réponses décisives à des questions fondamentales concernant la structure de l’univers.

« Elles nous diront si l’antimatière est une image miroir de la matière et, par conséquent, dans quelle mesure l’univers est symétrique », explique le professeur Hessels. Bien que la plupart des physiciens croient que la matière et l’antimatière sont exactement symétriques, les mesures des particules d’antimatière réalisées jusqu’à présent ne sont pas encore assez précises pour clore le débat.

L’équipe ATRAP est formée de plus d’une douzaine de chercheurs de la Harvard University et de l’Université York, ainsi que de l’Université Jülich et de l’Institut Max Planck, tous deux situés en Allemagne.

Pour ce qui est de la fabrication d’autres atomes d’antimatière, le professeur Hessels n’y songe même pas, car il est déjà assez difficile de fabriquer de l’antihydrogène.

« Quant à l’idée, plus séduisante, de construire un antimonde, c’est-à-dire des objets faits d’antimatière, il s’agit d’un rêve illusoire, poursuit le chercheur. C’est de la science-fiction. »