On imagine souvent l’antimatière comme une bombe prête à exploser, un gadget de film catastrophe. Pourtant Gerald Gabrielse le rappelle lui-même : elle n’a rien d’explosif. Le vrai mystère est ailleurs. Des physiciens de Northwestern ont réussi à piéger un seul positron dans un état quantique inédit, une prouesse qui pourrait expliquer pourquoi l’univers existe encore.

Un positron capturé, refroidi et transformé en atome artificiel

Pour la première fois, des physiciens de l’université Northwestern sont parvenus à amener un seul positron, l’antiparticule de l’électron, dans un état quantique extrêmement contrôlé. L’exploit part d’un noyau de sodium-22, un isotope radioactif rare dont la désintégration libère des positrons lancés à très grande vitesse.

L’équipe a d’abord dû freiner cette particule surexcitée, puis la guider dans un vide quasi parfait. À l’intérieur du piège, la température descend à environ 300 millikelvins, soit seulement 0,3 degré au-dessus du zéro absolu.

Ce froid extrême immobilise le positron dans son état fondamental quantique. Gabrielse raconte avoir réussi à faire tenir en place, pendant des mois, une particule qui filait initialement à toute vitesse.

Le dispositif repose sur un piège combinant champs électriques et magnétiques, une sorte de conteneur sans paroi physique. Le positron ne touche jamais rien, ce qui est vital : le moindre contact avec de la matière ordinaire l’aurait fait disparaître instantanément.

En appliquant des micro-ondes soigneusement calibrées, les chercheurs ont pu observer les transitions entre ses niveaux d’énergie. Le positron se comporte alors comme un atome artificiel, baptisé cyclotron quantique à un positron, dont on peut lire et manipuler chaque état avec précision.

Le modèle standard sur la sellette : quand matière et antimatière refusent de s’annuler

Le Modèle Standard décrit avec une précision remarquable les particules fondamentales et trois des quatre forces de l’univers. Il a passé avec succès une multitude de tests expérimentaux depuis des décennies.

Mais cette théorie a un angle mort. Elle ne parvient pas à expliquer pourquoi l’univers observable est fait presque exclusivement de matière, alors que le Big Bang aurait dû produire des quantités strictement égales de matière et d’antimatière.

Gabrielse résume le problème sans détour: si matière et antimatière avaient réellement été créées en quantités égales, elles se seraient mutuellement annihilées. Il ne resterait alors rien, ni étoiles, ni planètes, ni nous.

« Nous savons que le Modèle Standard comporte forcément des erreurs, ou du moins qu’il est incomplet », explique le physicien. Son équipe cherche justement la faille, en examinant les systèmes les plus simples avec une rigueur extrême.

C’est tout l’enjeu de cette expérience avec l’antimatière: traquer un écart, même minuscule, entre la théorie et ce qui se passe réellement dans le piège.

Pourquoi l’univers existe encore : ce que révélerait un déséquilibre magnétique infime

Selon le Modèle Standard, l’électron et le positron devraient se comporter comme des images miroir presque parfaites. Leurs propriétés magnétiques, en particulier, devraient être identiques au chiffre près.

Gabrielse et son équipe avaient déjà mesuré le moment magnétique d’un seul électron avec une précision d’environ trois parties sur 10 billions, l’une des mesures les plus fines jamais réalisées sur une particule élémentaire.

Grâce au positron désormais piégé et contrôlé, les chercheurs comptent reproduire cette mesure côté antimatière, puis comparer directement les deux résultats, électron contre positron.

Les chercheurs cherchent avant tout à détecter un éventuel écart entre les deux mesures. Si un écart apparaît, même infime, ce serait la preuve d’une faille dans la théorie, et un indice précieux sur l’origine du déséquilibre matière-antimatière.

Gabrielse ne cache pas l’enjeu: « Les théories actuelles suggèrent qu’il n’y aura aucune différence entre les deux mesures. Si elles s’avèrent différentes, ce serait la plus grande découverte de la physique du siècle dernier. »

Ce piège à positron unique, décrit dans Physical Review Letters avec Thomas Myers comme premier auteur, n’est donc qu’une première étape. Mais elle ouvre la voie à une comparaison directe entre matière et antimatière, à l’échelle la plus fondamentale qui soit. Et peut-être, au bout du compte, à une explication de ce qui nous a permis d’exister.

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