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Antimatter gravity measurement: How does antihydrogen fall?

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Une entreprise de l’UE explore quelques-unes des grandes questions sans réponse sur l’Univers

Dans Star Trek, c’est de l’antimatière qui sert à propulser le vaisseau Enterprise. Mais dans le monde réel, l’antimatière demeure un mystère pour les scientifiques. Le projet ANGRAM a étudié une nouvelle méthode pour détecter plus efficacement l’antimatière et permettre de répondre à des questions comme les suivantes: pourquoi y a-t-il plus de matière que d’antimatière dans l’Univers et de quelle façon cette dernière chute-t-elle?

Recherche fondamentale

L’interaction entre la matière et l’antimatière ne fait pas qu’alimenter le vaisseau Enterprise dans Star Trek. Elle soulève également des questions qui demeurent jusqu’ici sans réponse au sujet de l’Univers, questions que le projet ANGRAM de l’UE a entrepris d’explorer en testant une nouvelle méthode de détection de l’antimatière et en essayant d’en savoir plus sur la façon dont cette dernière est susceptible de chuter. Avec le soutien du programme Marie Skłodowska-Curie, la boursière Angela Gligorova a simulé – et détecté – des antiprotons pour étudier leurs interactions avec la matière ordinaire. Mme Gligorova analyse et compare ces simulations et espère publier ses résultats dans les prochains mois. «Nous avons réalisé une étude par annihilation d’antiprotons dans différents matériaux afin de valider les modèles physiques existants et d’identifier leurs faiblesses ainsi que les façons de les améliorer», explique Mme Gligorova. Les résultats préliminaires d’ANGRAM montrent qu’aucun des modèles physiques actuels ne décrit avec précision l’interaction entre la matière et l’antimatière. «La recherche a mis en lumière certains aspects de cette interaction, ce qui montre qu’il reste encore beaucoup de chemin à parcourir dans cette direction», précise Mme Gligorova. Sous la direction d’Eberhard Widmann, directeur de l’Institut Stefan Meyer pour la physique subatomique à l’Académie autrichienne des sciences, Mme Gligorova a bénéficié d’un temps précieux au CERN, l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire, pour utiliser le décélérateur d’antiprotons, qui produit les antiprotons nécessaires à la formation de l’antihydrogène. Mme Gligorova n’a cependant pas été en mesure d’atteindre son objectif final, qui consistait à effectuer une mesure de 30 % de l’accélération gravitationnelle de l’antihydrogène, car le faisceau d’antiprotons du CERN est très demandé et n’est disponible que pour une durée limitée. La nouvelle méthode de formation de l’antihydrogène a également pris plus de temps que prévu. «En fin de compte, il ne restait plus assez de temps pour mesurer l’accélération gravitationnelle», explique Mme Gligorova. «Ce résultat expérimental a toute son importance, car il pourrait révéler la raison pour laquelle il y a tellement plus de matière que d’antimatière dans l’Univers, même si au début, lors du Big Bang, elles auraient dû être créées en quantités égales.»

La beauté des revers

Le projet a mis à l’essai un déflectomètre de moiré pour simuler la chute de l’antihydrogène dans le champ gravitationnel de la Terre: un système composé de deux ou trois réseaux parallèles, couplés à un détecteur. Mme Gligorova a découvert que les interactions entre les atomes d’antihydrogène passant à proximité des réseaux et les atomes des réseaux produisaient un effet trompeur lorsqu’elle essayait de mesurer la force gravitationnelle. Mme Gligorova a conclu que les essais nécessitaient un déflectomètre encore plus sophistiqué, fait de lumière au lieu de matière, mais que cet instrument dépassait les ressources disponibles. «Dans la recherche, les choses ne se passent pas toujours comme prévu et c’est ce qui en fait la beauté. À cet égard, il s’agit aussi d’une avancée», explique Mme Gligorova, avec optimisme. Les travaux de Mme Gligorova, accomplis dans un domaine difficile et au sujet desquels elle a réalisé une vidéo à l’occasion de la Journée internationale de la femme, ont déjà inspiré de jeunes femmes scientifiques. La façon dont ANGRAM a combiné deux technologies de détection pour l’annihilation des antiprotons pourrait être une source d’inspiration pour de futures expériences sur l’antimatière. «Notre étude a été la première comparaison directe entre les données expérimentales et les modèles physiques actuels pour l’annihilation antiproton-noyau au repos, et nous avons pu évaluer la pertinence des prévisions concernant la région de basse énergie», souligne Mme Gligorova.

Mots‑clés

ANGRAM, antimatière, antihydrogène, antiprotons, déflectomètre, Star Trek

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