Antimatière : l’expérience GBAR du CERN rejoint l’anticlub !

Le but ultime de l’expérience GBAR (Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest) est de mesurer l’accélération d’un atome d’antihydrogène dans le champ de gravité terrestre, et de la comparer à celle de la matière ordinaire : un test crucial du principe d'équivalence à la base de la relativité générale d’Einstein. Mais préparer un antiatome suffisamment lent pour le voir « tomber » relève de l’exploit. La voie choisie par GBAR consiste à produire dans un premier temps un atome d’antihydrogène puis d’en faire un ion positif (l’équivalent antimatière d’un ion H^-). Dans l’étape suivante l’ion est ralenti par des techniques d’optique quantique. Enfin l’ion est finalement neutralisé pour faire la mesure de chute libre. C’est la première étape de la production de l’atome d’antihydrogène que la collaboration a annoncé avoir franchie lors des dernières rencontres de Moriond en mars 2023.

Pour ce faire, l’équipe a développé un protocole complexe dans lequel les atomes d’anti-hydrogène sont assemblés à partir d’antiprotons produits par le Décélérateur d’antiprotons (AD), et de positons produits dans GBAR. Les antiprotons de l’AD, d’énergie 5,3 MeV,  sont décélérés et refroidis dans l’anneau ELENA, et un paquet de quelques millions d’antiprotons de 100 keV est envoyé à GBAR toutes les 2 minutes. Dans GBAR, un tube de glissement décélère encore ce paquet jusqu’à une énergie ajustable de quelques keV. En parallèle, dans une autre partie de GBAR, un accélérateur linéaire envoie des électrons de 9 MeV sur une cible, où leur interaction produit des positons. Ces positons sont récupérés, et accumulés dans une série de pièges électromagnétiques. Juste avant l’arrivée du paquet d’antiprotons, les positons sont envoyés sur une couche de silice nanoporeuse, d’où environ un sur cinq ressort sous forme d’un atome de positronium (Ps, l’état lié d’un positon et d’un électron). Lorsque le paquet d’antiprotons traverse le nuage de Ps, un échange de charge peut se produire : le positronium cède son positon à l'antiproton, qui devient un anti-hydrogène.

Une vingtaine d'antihydrogène détectés

Fin 2022, au cours d’un fonctionnement de plusieurs jours, une vingtaine d’atomes d’antihydrogène ainsi produits ont été détectés, validant cette méthode de production “en vol” pour la première fois. 

Après cette première étape essentielle, la collaboration GBAR va maintenant améliorer la production d’atomes d’antihydrogène. Ceci permettra d’abord des mesures de précision sur les antihydrogènes eux-mêmes, en particulier l’écart d'énergie qu’il y a entre deux niveaux atomiques bien particuliers : le décalage de Lamb. Cette mesure donnera une valeur plus précise du rayon de l’antiproton. Suivra ensuite la production d’ions d’antihydrogène positif, qui nécessitera des performances encore accrues des deux faisceaux et de leur combinaison, et enfin la mise en œuvre du système optique (lasers) de refroidissement de ces ions et de photo-détachement d’un positon, pour observer enfin la chute libre d’un atome d’anti-hydrogène.

GBAR n'est pas seule à vouloir braver le principe d’équivalence d’Einstein : deux expériences concurrentes de l'AD s'efforcent de déterminer si l'antihydrogène pourrait tomber vers le haut. ALPHA, pionnière de la synthèse et du piégeage de l'antihydrogène neutre, est la plus avancée. L’autre expérience AEgIS produit quant à elle de l'antihydrogène en utilisant la même réaction que GBAR avec le positronium. Elle vise à détecter une éventuelle trajectoire descendante des antiatomes volants à l'aide d'un interféromètre sensible.

La collaboration GBAR rassemble 18 instituts de 9 pays et son porte parole Patrice Perez de l’Irfu. Les laboratoires français impliqués sont IJCLab à Orsay (IN2P3), le LKB à Paris (INP), l’Irfu à Saclay (CEA),  l’Institut Laue Langevin de Grenoble et l’Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg.