Comprendre matière et antimatière

Le LHC dans son tunnel de 27 kilomètres de circonférence. © LHC. 

La matière et l’antimatière sont identiques, mais avec une charge opposée. Elles s’annihilent au contact l’une de l’autre. Lors du big bang, matière et antimatière devraient avoir été produites en quantité égale. Or, notre monde est constitué uniquement de matière. L’antimatière semblant avoir disparu.

Pour prendre connaissance de l'antimatière, le plus grand et le plus puissant accélérateur de particules au monde, le LHC (Large Hadron Collider ou grand collisionneur de hadrons) a été créé à la frontière franco-suisse, par le CERN "Centre Européen de Recherches Nucléaires". 

En 1995, le LHC a produit les neufs premiers atomes d’antihydrogène en laboratoire. Les premiers faisceaux de particules, des protons, l'ont parcouru le 10 septembre 2008 et les premières collisions se sont produites le 30 mars 2010. Le 17 novembre 2010, le CERN a capturé pour la première fois des atomes d'antimatière, toujours d’antihydrogène. 

Les atomes d’antihydrogène sont produits sous vide et leur vie est allongée à l’aide de champs magnétiques, qui permettent leur capture pendant seulement un dixième de seconde dans un piège à étranglement; étape préalable en vue de la production d’un faisceau, une avancée importante pour comprendre ce qui différencie la matière de l'antimatière.

Le LHC à haute luminosité a donc été déclaré projet prioritaire en 2013 dans le cadre de la stratégie européenne pour la physique des particules. Le 21 janvier 2014, le CERN a produit pour la première fois un faisceau d'atomes d'antihydrogène, composé de 80 atomes, étape significative vers la spectroscopie hyperfine précise des atomes d'antihydrogène.

Le 4 avril 2018, la mesure directe la plus précise jamais réalisée sur l’antimatière, révèle pour la première fois la structure spectrale de l'atome d'antihydrogène, que l'on pourra comparer par la suite au spectre de l'atome d'hydrogène. Une lumière laser est projetée sur les atomes d'antihydrogène piégés. La réaction de ces derniers est mesurée et comparée à celle des atomes d'hydrogène. Cela nous fera mieux comprendre pourquoi l'Univers est constitué presque intégralement de matière, alors que matière et antimatière auraient été produites en quantités égales lors du Big Bang.

Le projet de Grand collisionneur de hadrons à haute luminosité (LHC à haute luminosité) vise à pousser les performances du LHC à leur maximum pour augmenter le potentiel de découvertes après 2027. L’objectif est d’accroître la luminosité d’un facteur 10. Plus la luminosité est grande, plus on peut observer des processus rares.

Le LHC à haute luminosité, qui devrait être mis en service fin 2027, permettra aux physiciens d'étudier les mécanismes du boson de Higgs (manifestation visible du champ de Higgs, un peu comme une vague à la surface de la mer), et d'observer ainsi de nouveaux phénomènes très rares qui pourraient se manifester. À titre d’exemple, le LHC à haute luminosité produira chaque année au moins 15 millions de bosons de Higgs, contre environ trois millions en 2017.

La première phase a débuté en novembre 2011 et a été en partie financée par la Commission européenne. Cette phase a réuni de nombreux laboratoires des États membres du CERN, mais également de Russie, du Japon et des États-Unis. L'étude de conception a pris fin en 2015. Les travaux de génie civil ont démarré en 2018.

Le projet est mené par le CERN avec le soutien d'une collaboration internationale de 29 instituts dans 13 pays, dont les États-Unis, le Japon et le Canada. Peut-être cela nous mènera-t-il un jour, vers une nouvelle révolution industrielle, qui sait? 

Sources :

CERN : Des atomes d’antimatière produits et capturés au CERN, 17/11/10

CERN : L'expérience sur l'antimatière produit le premier faisceau d'antihydrogène, 21/01/14

CERN : Des mesures sur l'antimatière d'une précision inégalée, 04/04/18

CERN : Le LHC è haute luminosité