Qu’est ce que l’antimatière et quel intérêt?

Si tu lis cet article en dehors de l’école, tu dois vraiment aimer la science! Lorsque j’étais au secondaire, j’ai passé mes étés à lire des magazines scientifiques. Je me souviens d’avoir découpé une photo du grand collisionneur de hadrons au CERN lors de sa mise en service en 2010.

Pour moi, les recherches de pointe effectuées par des physiciens et physiciennes étaient une grande source d’inspiration. J’épinglais leurs articles à mon babillard. Cinq ans plus tard, j’obtenais mon diplôme de premier cycle en physique. Puis, j’ai eu l’occasion d’effectuer moi-même des recherches au CERN!

Dans le cadre de mes études aux cycles supérieurs, j’ai travaillé sur un projet de recherche appelé ALPHA. Cela signifie « Antihydrogen Laser Physics Apparatus ». Il s’agit également du nom de la première expérience réalisée par mon équipe. L’objectif était de fabriquer des atomes d’antihydrogène, puis de les étudier à l’aide de lasers.

Les lasers émettent une lumière monochromatique. Cela signifie que la lumière est composée d’une seule longueur d’onde ou d’une seule couleur. Dans le domaine de la physique, on utilise la lumière émise par des lasers pour « exciter » des atomes. Il faut que la lumière possède la quantité précise d’énergie dont les électrons ont besoin pour effectuer une transition entre deux niveaux d’énergie. Ainsi, l’équipe de recherche peut observer la transition à l’instant où elle se produit.

Alors pourquoi utilise-t-on des atomes d’hydrogène? Il s’agit de l’atome le plus simple du tableau périodique. Il est constitué d’un seul proton et d’un seul électron. Par conséquent, l’hydrogène a fait l’objet de nombreuses recherches. On connaît donc bien ses propriétés physiques : la masse, la charge, le spin, les niveaux d’énergie, etc. Par comparaison, l’antihydrogène demeure beaucoup plus mystérieux. L’antihydrogène est composé d’un antiproton (un proton chargé négativement) et d’un positron (un électron chargé positivement).

D’après le modèle standard de la physique des particules, les particules et les antiparticules partagent toutes les mêmes propriétés, à part la charge. Les scientifiques pensent que les antiparticules ont la même valeur de charge, mais précédée du signe inverse. 

En étudiant les propriétés physiques de l’antihydrogène, l’équipe ALPHA cherche à confirmer si les valeurs pour l’antihydrogène sont les mêmes que pour l’hydrogène ordinaire. Tout écart indiquerait qu’il existe une « nouvelle physique » au-delà du modèle standard.

Le savais-tu?

On applique déjà la science de l’antimatière à l’imagerie médicale. La tomographie par émission de positrons (TEP ou PET scan en anglais) permet d’évaluer le fonctionnement des organes en recherchant des preuves de la production de positrons.

En fin de compte, on veut comprendre pourquoi on observe plus de matière que d’antimatière dans l’univers. En théorie, au moment du Big Bang, des quantités égales de matière et d’antimatière auraient été produites. Les scientifiques cherchent donc à déterminer ce qui aurait fait pencher la balance en faveur de la matière « ordinaire ». 

Comment le savons-nous? Lorsqu’une particule rencontre son antiparticule homologue, leurs masses se transforment entièrement en énergie et elles disparaissent. Ce processus, appelé annihilation, est régi par la célèbre équation E = mc2.

Pourtant, s’il y avait autant d’antimatière que de matière à la suite du Big Bang, l’univers aurait été anéanti peu après sa formation. Il ne serait resté qu’un surplus d’énergie. 

Notre existence même démontre donc que ce n’est pas tout à fait ce qui s’est passé! Le projet ALPHA cherche donc à comprendre le sort de l’antimatière disparue, ou bien à expliquer pourquoi plus de matière que d’antimatière a été créée lors de la naissance de l’univers. Autrement dit, l’équipe de recherche veut résoudre l’énigme de l’asymétrie matière-antimatière.

Le savais-tu?

L’antimatière est tellement difficile à produire qu’on ne peut pas l’utiliser comme arme. Si l’on faisait exploser toute l’antimatière produite en laboratoire au cours des 30 dernières années, l’effet serait semblable à l’allumage d’une allumette.

Notre appareil expérimental s’appelle ALPHA-2. Il est situé dans le pavillon du Décélérateur d’antiprotons au CERN. Surnommé « l’usine à antimatière », cet immeuble est le siège de plusieurs autres expériences liées à l’antimatière. Les programmes de recherche AEgIS, ASACUSA et ATRAP visent tous une meilleure compréhension de l’antimatière.

Est-ce que l’antimatière te fascine autant que moi? Peut-être que dans cinq ans, tu auras également l’occasion de travailler sur un projet de recherche qui se poursuit à « l’usine à antimatière »!