Il y a eu la « Nuit des particules », la toute première en 2010, puis la « Nuit de la lumière » ou encore celle des « ondes gravitationnelles ». Le CNRS, le CEA (Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives) et la Société française de physique reprennent cette année leur série de soirées de vulgarisation scientifique consacrées à l’infiniment petit.

Ce sera ce lundi 1er avril au Grand Rex à Paris et simultanément dans 14 villes de France. Il est encore temps de s'incrire et la soirée est par ailleurs à suivre en direct sur YouTube et Facebook.

Au programme, toujours, des conférences, tables rondes, visites virtuelles de laboratoires et quiz… Cette fois-ci, on parlera de l’antimatière, ces particules étonnantes, qui nous traversent en permanence et qui restent pour autant méconnues. « Même pour les scientifiques, l’antimatière conserve ces parts d’énigme, précise Guy Wormser, directeur de recherche au CNRS, au sein du laboratoire de l’accélérateur linéaire d’Orsay. On touche là un des grands mystères de l’univers, tel qu’on le conçoit et tel que l’on peut le mesurer. »

Guy Wormser, le coordinateur de cette « Nuit de l’antimatière » n’a aucun doute alors sur la possibilité de tenir une nuit sur le sujet. Il répond aux questions de 20 Minutes.

Qu’est-ce que l’antimatière ?

La matière qui nous entoure est constituée d’atomes et de molécules, eux-mêmes constitués d’électrons et de noyaux atomiques. Eux-mêmes encore constitués de particules : les protons, les neutrons, les électrons et d’autres encore que nous connaissons mais qui ne sont pas présentes dans la matière qui nous entoure (les neutrinos, les muons, les taus). Toutes les particules élémentaires connues sont recensées dans le tableau du modèle standard de la physique des particules. Mais on sait aussi qu’à chacune de ces particules correspond une antiparticule qui en a exactement les mêmes propriétés à quelques différences près. Une particule et son antiparticule ont des charges électriques opposées. La charge du proton est par exemple positive et celle de l’antiproton, négative. L’électron est lui chargé négativement quand le positon, son antiparticule, est chargé positivement. Mais ce n’est pas qu’une question de charge puisque vous avez des particules neutres qui ont aussi leurs antiparticules. D’autres différences peuvent donc intervenir et ce sont celles-ci que nous tentons de découvrir dans nos diverses expériences scientifiques.

Ce qui est certain, c’est que les particules et les antiparticules ne font pas bon ménage. Lorsqu’elles entrent en contact, elles s’annihilent dans une formidable explosion qui ne laisse derrière elle que de l’énergie pure qui peut, à son tour, se transformer dans un autre jeu de particules et d’antiparticules.

Comment a été découverte l’antimatière ?

C’est le fruit d’une double découverte, toutes deux auréolées d’un Prix Nobel de physique. Une découverte théorique d’abord : celle du physicien anglais Paul Dirac. En 1928, il a écrit une équation qui décrit la trajectoire d’un électron dans un champ électromagnétique. Il s’est rendu compte qu’il n’y avait pas seulement une solution à son équation, mais deux. La première solution faisait intervenir les constituants habituels de la matière. Et une deuxième qui faisait cette fois-ci intervenir des particules d’énergie négative. D’une certaine façon, Paul Dirac a dit : « Cela pourrait être un anti-électron, chargé positivement qui remonte le temps. Voilà, ça l’air idiot, mais c’est une solution à l’équation ».

Puis, en 1932, Carl Davidson Andersen, un physicien américain qui menait des recherches sur les rayons cosmiques, a photographié une particule qui ne pouvait être ni un proton (car tournant dans le sens inverse), ni un électron (car trop léger). Les scientifiques ont alors fait le lien avec la découverte de Paul Dirac quelques années plus tôt et ont conclu à la première observation d’un antiélectron. Autrement dit, la première observation de l’antimatière.

Pourquoi cette antimatière intrigue-t-elle les scientifiques ?

Tout ce qui nous entoure sur Terre et dans l’univers tel que nous le connaissons est composé presque exclusivement de matière. Or le Big Bang doit avoir créé autant de matière que d’antimatière dans l’Univers primordial. Dans les premières fractions de secondes qui ont suivi, l’univers était en effervescence : les particules et antiparticules ne cessaient de s’annihiler les unes les autres. Si particules et antiparticules avaient exactement les mêmes propriétés, elles auraient dû s’annihiler complètement et l’univers n’aurait donc dû contenir que de l’énergie pure. Or, ce n’est pas le cas. Une minuscule partie de la matière – on estime environ une particule sur dix milliards – a réussi à survivre. C’est la matière que nous observons aujourd’hui. Comment alors expliquer cette asymétrie ? Pourquoi la matière a pris le dessus sur l’antimatière dans l’univers que nous connaissons ? C’est l’un des grands mystères que les scientifiques tentent aujourd’hui de percer.

Vous dites pourtant que nous sommes en permanence traversés par de l’antimatière ?

C’est vrai. L’antimatière est présente de façon naturelle autour de nous. Des particules d’antimatière se créent à chaque fois qu’un proton énergique entre en collision avec un noyau atomique. Le soleil produit par exemple de l’antimatière en son cœur en permanence. Même chose lorsque des rayons cosmiques – des protons en général – interagissent dans notre atmosphère. Ils vont taper des noyaux et une nouvelle fois produire de l’antimatière. C’est l’une de ces antiparticules qu’a observée Andersen en 1932.

Enfin, nous n’avons aujourd’hui aucune difficulté à produire de l’antimatière de façon artificielle. Nous le faisons par exemple dans l’accélérateur de particules du Cern [le grand laboratoire européen à la frontière franco-suisse qui fera l’objet d’une visite virtuelle lors de la Nuit de l’antimatière]. Dans cet anneau de 27 kilomètres de circonférence sont projetés à de très grandes vitesses des particules qui, lorsqu’elles entrent en collision, créent de l’antimatière. Mais toute cette antimatière est secondaire, pourrait-on dire. L’antimatière primordiale, celle qui remonterait à la création de l’univers, nous n’en avons aucune trace aujourd’hui.

Comment percer aujourd’hui le mystère de cette asymétrie au moment du Big-Bang entre la matière et l’antimatière ?

Il faut trouver cette différence de propriétés entre particules et antiparticules qui expliquerait cette asymétrie au moment du Big-Bang. Plusieurs travaux ont permis de montrer une brisure de cette symétrie. Les premiers en 1964 et d’autres encore plus récemment. On en est arrivé aujourd’hui à une sorte de paradoxe. Nous sommes d’une part contents d’avoir pu déceler des différences de propriétés entre particules et antiparticules. Mais nous sommes toujours frustrés parce qu’il nous manque une étape pour expliquer la disparition de l’antimatière dans l’univers. Les différences constatées ne suffisent pas à l’expliquer.

Il nous reste donc encore des découvertes à faire. Une expérience préparée en ce moment au Cern s’intéresse par exemple au comportement face à la gravité des antiparticules. Elle consisterait à fabriquer un anti-atome d’hydrogène, constitué d’un antiproton et d’un positron – deux antiparticules de matière –, puis, en quelque sorte, de le lâcher pour voir comment il réagit par rapport à la gravité. Tombe-t-il ou remonte-t-il ? Dit ainsi, ça semble simple à faire. C’est loin d’être le cas. Un atome d’anti-hydrogène, comme un atome d’hydrogène, circule à une vitesse folle. De l’ordre de plusieurs kilomètres par seconde. A cette vitesse, il est très compliqué de déterminer s’il monte ou descend. Pour les ralentir, il faut les refroidir. Et pas qu’un peu puisqu’il faut refroidir ces atomes jusqu’à des températures records de quelques microkelvins [soit 10-6 kelvin, 1 kelvin étant égal à -273,15°C]. L’expérience est prête, mais le Cern est actuellement en pause si bien qu’elle ne pourra pas être réalisée avant deux ans. Si on constate que les antiparticules montent, comme certains le prédisent (mais ce qui est peu probable), cela bouleversera totalement le modèle standard de la physique des particules, c’est-à-dire le cadre théorique actuel qui permet d’expliquer la structure fondamentale de la matière. Et si on note de légères différences entre particules et antiparticules face à la gravité, nous pourrions peut-être faire un pas de plus dans la compréhension de notre univers.