Le 21 septembre 1955, Owen Chamberlain, Emilio Segrè, Clyde Wiegand et Tom Ypsilantis ont trouvé leur première preuve de l’existence de l’antiproton, recueillie grâce aux mesures de son élan et de sa vitesse. Travaillant dans ce qui était connu sous le nom de « Rad Lab » à Berkeley, ils avaient installé leur expérience dans un nouvel accélérateur, le Bevatron – un synchrotron à protons conçu pour atteindre une énergie de 6,5 GeV, suffisante pour produire un antiproton dans une expérience à cible fixe (CERN Courier novembre 2005 p27). Peu après, une expérience connexe dirigée par Gerson Goldhaber et Edoardo Amaldi a permis de découvrir les « étoiles » d’annihilation attendues, enregistrées dans des piles d’émulsions nucléaires (figure 1). Quarante ans plus tard, en combinant les antiprotons et les positrons, une expérience menée à l’Anneau d’antiprotons à basse énergie (LEAR) du CERN a permis de recueillir, en septembre 1995, des preuves de la production des premiers atomes d’antihydrogène.

Au fil des décennies, les antiprotons sont devenus un outil standard pour les études en physique des particules ; le mot « antimatière » est entré dans le langage courant ; et l’antihydrogène est en passe de devenir un laboratoire pour les recherches en physique fondamentale. Au CERN, le décélérateur d’antiprotons (AD) est désormais une installation importante pour les études de physique fondamentale à basse énergie, qui complètent les recherches menées à la frontière des hautes énergies du LHC. Cet article revient sur certains des moments forts des études de l’anti-monde au CERN, et donne un aperçu de ce que réserve l’AD.

Retour au Bevatron, la découverte de l’antineutron par annihilation de particules neutres a suivi en 1956, plantant le décor pour les études de l’antimatière réelle. Au départ, tout le monde s’attendait à une symétrie parfaite entre la matière et l’antimatière grâce à la combinaison des opérations de conjugaison des charges (C), de parité (P) et d’inversion du temps (T). Cependant, après l’observation de la violation de CP en 1964, il n’était pas évident que les forces nucléaires soient invariantes par rapport à CPT et que les antinucléons se lient pour construire des antinucléus. Ces doutes ont été levés avec la découverte de l’antideutéron au CERN par une équipe dirigée par Antonino Zichichi, et à Brookhaven par une équipe de l’université de Columbia, comprenant Leon Lederman et Sam Ting (CERN Courier mai 2009 p15et octobre 2009 p22). Dix ans plus tard, des preuves de la présence d’antihélium 3 et d’antitritium sont apparues dans l’expérience WA33 au Super Synchrotron à protons du CERN, après l’observation de quelques candidats au synchroton à protons de 70 GeV à l’Institut de physique des hautes énergies près de Serpukhov. Plus récemment, la disponibilité de faisceaux d’ions lourds en collision a permis l’observation de l’antihélium 4 par l’expérience STAR au collisionneur relativiste d’ions lourds de Brookhaven (CERN Courier June 2011 p8). Au CERN, l’expérience ALICE au LHC observe la production de noyaux légers et d’antinoyaux de masses comparables et donc d’énergies de liaison compatibles (figure 2).

Sortir du baryonium, entrer de nouveaux mésons

En 1949, avant la découverte de l’antiproton, Enrico Fermi et Chen-Ning Yang ont prédit l’existence d’états nucléon-antinucléon liés (baryonium), lorsqu’ils ont remarqué que certaines forces répulsives entre deux nucléons pouvaient devenir attractives dans le système nucléon-antinucléon. Plus tard, les modèles de quarks basés sur la dualité ont prédit l’existence d’états composés de deux quarks et de deux antiquarks, qui devraient être observés lorsqu’un proton s’annihile avec un antiproton. Dans les années 1970, les modèles de potentiel nucléaire ont prédit une pléthore d’états liés et d’excitations par résonance autour de la masse de deux noyaux. De tels états ont effectivement été signalés, parmi lesquels des états étroits observés dans l’annihilation antiproton-proton (pp) au Synchrotron à protons (PS) du CERN et dans les mesures de la section efficace pp en fonction de l’énergie (le méson S d’une masse de 1940 MeV).

Le baryonium a été la principale motivation de la construction au CERN du LEAR, qui a duré plus d’une décennie, de 1982 à 1996 (voir encadré). Cependant, aucun des états du baryonium n’a été confirmé au LEAR. Le méson S n’a pas été observé avec une sensibilité 10 fois inférieure au signal rapporté précédemment dans la section efficace totale pp. Les transitions monoénergétiques vers les états liés n’ont pas non plus été observées. La mort du baryonium était un sujet clé de la conférence Antiproton 86 à Thessalonique. Que s’est-il passé ? La haute qualité des faisceaux d’antiprotons du LEAR signifiait que tous les pions s’étaient désintégrés. La forte intensité des antiprotons (106/s par rapport à environ 102/s dans les faisceaux extraits au PS) et une résolution élevée du momentum de 10-3-10-4 étaient cruciales aux basses énergies pour que les antiprotons s’arrêtent avec une très faible portée.

La spectroscopie des mésons produits dans l’annihilation pp au repos dans plusieurs expériences au LEAR s’est avérée beaucoup plus fructueuse. Elle a permis de poursuivre une tradition qui avait débuté dans les années 1960 avec l’annihilation d’antiprotons dans la chambre à bulles d’hydrogène de 81 cm du PS, conduisant à la découverte du méson E (E pour l’Europe, aujourd’hui le η(1440)) et du méson D (aujourd’hui le f1(1285)) dans pp → (E, D → KKπ)ππ. Le premier a donné lieu à une controverse de longue date sur l’existence dans cette région de masse d’un candidat glueball – un état constitué uniquement de gluons – qui a été observé dans la désintégration radiative J/ψ au collisionneur e+e- de SLAC, SPEAR. Avec le démarrage de LEAR, les expériences ASTERIX, OBELIX, Crystal Barrel et JETSET ont pris le relais de la spectroscopie des mésons dans l’annihilation pp. ASTERIX a découvert un méson tenseur – l’AX, maintenant le f2(1565) – qui a également été signalé par OBELIX ; sa structure n’est toujours pas claire, bien qu’il puisse s’agir de l’état baryonium tenseur prédit.

Crystal Barrel s’est spécialisé dans la détection d’événements multineutres. Les antiprotons ont été arrêtés dans une cible d’hydrogène liquide et les mésons π0 ont été détectés par leurs désintégrations γγ dans un assemblage en forme de tonneau de 1380 cristaux de CsI (Tl). La figure 3 montre le détecteur ainsi qu’un tracé de Dalitz de l’annihilation pp en π0π0π0, mesurée par l’expérience. La distribution non uniforme des événements indique la présence de résonances intermédiaires qui se désintègrent en π0π0, comme les mésons de spin 0 f0(980) et f0(1500), et les mésons de spin 2 f2(1270) et f2(1565). Le f0(1500) est un bon candidat pour une glueball.

Symétries fondamentales

Le théorème de la CPT postule que les lois physiques restent les mêmes lorsque l’opération combinée de la CPT est effectuée. L’invariance CPT découle de l’hypothèse dans les théories quantiques des champs de certaines exigences, telles que l’invariance de Lorentz et les particules élémentaires ponctuelles. Cependant, la violation de la CPT est possible à de très petites échelles de longueur, et pourrait conduire à de légères différences entre les propriétés des particules et des antiparticules, comme la durée de vie, la masse inertielle et le moment magnétique.

Au LEAR, la collaboration TRAP (PS196) a réalisé une série d’expériences pionnières pour comparer précisément les rapports charge-masse du proton et de l’antiproton, en utilisant des antiprotons stockés dans un piège électromagnétique froid (Penning). Le signal d’un seul antiproton stocké a pu être observé, et les antiprotons ont été stockés dans le piège jusqu’à deux mois. En mesurant la fréquence cyclotronique des antiprotons en orbite à l’aide d’un oscillateur et en la comparant à la fréquence cyclotronique des ions H- dans le même piège, l’équipe a finalement obtenu un résultat de l’ordre de 9 × 10-11. L’expérience a utilisé des ions H- au lieu de protons pour éviter les biais lors de l’inversion des signes des champs électriques et magnétiques.

Sous l’hypothèse de l’invariance CPT, la violation de la symétrie CP observée pour la première fois dans le système des kaons neutres en 1964 implique que l’invariance T est également violée. Cependant, en 1998, l’expérience CPLEAR a démontré la violation de T dans le système des kaons neutres sans supposer la conservation de la CPT (CERN Courier mars 1999 p21). Le K0 et le K0 se transforment l’un en l’autre en fonction du temps, et la violation de T implique qu’à un instant t donné, la probabilité de trouver un K0 lorsqu’initialement un K0 a été produit n’est pas égale à la probabilité de trouver un K0 lorsqu’un K0 a été produit. CPLEAR a établi l’identité du kaon initial en mesurant le signe du kaon chargé associé dans l’annihilation pp → K+K0π- ou K-K0π+ ; celui du kaon au temps t a été déduit en détectant les désintégrations K0 → π+e- ν et K0 → π-e+ν. La figure 4 montre qu’une petite asymétrie a effectivement été observée, ce qui est conforme aux attentes de la violation de CP, en supposant l’invariance de la CPT.

Le théorème de la CPT prédit également que la matière et l’antimatière devraient avoir des spectres d’excitation atomique identiques. L’antihydrogène – la forme la plus simple d’antimatière neutre constituée d’un positron en orbite autour d’un antiproton – a été observé pour la première fois dans l’expérience PS210 au LEAR. Le faisceau interne d’antiprotons circulant à 1,9 GeV/c a traversé une cible de jet de xénon, ce qui a permis de produire une paire e+e- lorsqu’un antiproton a traversé le champ de Coulomb d’un noyau de xénon. Le e+ pourrait alors être capturé par l’antiproton pour former de l’antihydrogène électriquement neutre avec un momentum de 1,9 GeV/c, qui pourrait être détecté plus en aval par son annihilation en pions et photons. Ce processus de production est plutôt rare, mais la collaboration PS210 a néanmoins rapporté la preuve de la présence de neuf atomes d’antihydrogène, après environ deux mois de prise de données en août-septembre 1995, et quelques mois seulement avant l’arrêt de LEAR. L’observation d’antihydrogène a été confirmée deux ans plus tard à l’Accumulateur d’antiprotons de Fermilab, bien qu’avec une section transversale de production beaucoup plus petite.

Au AD

Un nouveau chapitre de l’histoire de l’antihydrogène au CERN s’est ouvert en 2000 avec le démarrage de l’AD, qui décélère les antiprotons à 100 MeV/c, avant de les extraire pour des expériences sur l’antimatière et la physique atomique (CERN Courier novembre 1999 p17). L’expérience PS210 avait tenté de fabriquer de l’antihydrogène en vol, mais pour étudier, par exemple, la spectroscopie de l’antihydrogène, il est beaucoup plus pratique de stocker des atomes d’antihydrogène dans des pièges électromagnétiques, comme l’avait fait TRAP dans ses expériences sur les antiprotons. Pour cela, il faut produire de l’antihydrogène à très basse énergie, ce que l’AD permet de réaliser.

En 2002, les expériences ATHENA et ATRAP à l’AD ont démontré la production d’un grand nombre d’atomes lents d’antihydrogène (CERN Courier novembre 2002 p5et décembre 2002 p5). ATHENA a utilisé des feuilles absorbantes pour réduire l’énergie des antiprotons provenant de l’AD à quelques kiloélectronvolts. Une petite fraction du faisceau d’antiprotons était ensuite capturée dans un piège de Penning, tandis que les positons provenant d’une source de sodium radioactif étaient stockés dans un second piège. Les nuages d’antiprotons et de positrons ont ensuite été transférés dans un troisième piège et se sont superposés pour produire de l’antihydrogène électriquement neutre, qui a migré vers les parois du cryostat et s’est annihilé. Le détecteur d’antihydrogène contenait deux couches de microbandes de silicium pour suivre les pions chargés provenant de l’annihilation des antiprotons ; un réseau de 192 cristaux de CsI a détecté et mesuré les énergies des photons provenant de l’annihilation des positons (figure 5). Environ un million d’atomes d’antihydrogène ont été produits au cours de l’expérience, ce qui correspond à un taux moyen de 10 antiatomes par seconde.

L’antihydrogène possède un moment dipolaire magnétique (celui du positron), ce qui signifie qu’il peut être capturé dans un champ magnétique inhomogène. La première tentative en ce sens a été réalisée à l’AD par l’expérience ALPHA, qui a réussi à capturer 38 atomes d’antihydrogène dans un champ magnétique octupolaire (CERN Courier mars 2011 p13). Le temps de stockage initial de l’antihydrogène de 172 ms a été porté par la suite à quelque 15 minutes, ouvrant ainsi la voie à des expériences de spectroscopie atomique. Un test sensible du CPT consiste à induire des transitions entre les états de spin singulet et triplet (fractionnement hyperfin, ou HfS) dans l’atome d’antihydrogène, et à comparer l’énergie de transition avec celle de l’hydrogène, qui est connue avec une très grande précision. ALPHA a fait les premières tentatives réussies pour mesurer le HfS avec un rayonnement micro-ondes, réussissant à retourner le spin du positron et à éjecter 23 atomes d’antihydrogène du piège (CERN Courier avril 2012 p7).

Une approche alternative consiste à réaliser une expérience de type Stern-Gerlach avec un faisceau d’antihydrogène. L’expérience ASACUSA a utilisé une bobine anti-Helmholtz (piège à cuspide) pour exercer des forces sur les atomes d’antihydrogène et sélectionner ceux qui se trouvent dans un état de spin positronique donné. La polarisation peut alors être inversée avec des micro-ondes de la fréquence appropriée. Lors d’un premier test réussi, 80 atomes d’antihydrogène ont été détectés en aval de la région de production (CERN Courier mars 2014 p5).

La collaboration ASACUSA a également testé le CPT, en utilisant des antiprotons arrêtés dans l’hélium. L’antiproton a été capturé en éjectant l’un des deux électrons en orbite, l’atome d’hélium antiprotonique qui en résulte étant laissé dans un état atomique de haut niveau et à longue durée de vie, qui se prête à l’excitation laser. En utilisant deux faisceaux laser se propageant en sens inverse (pour réduire l’élargissement Doppler causé par le mouvement thermique), le groupe a pu déterminer le rapport de masse antiproton/électron avec une précision de 1,3 ppb (CERN Courier September 2011 p7). Une comparaison antérieure du rapport charge-masse entre le proton et l’antiproton avait été effectuée avec une précision de 0,09 ppb par la collaboration TRAP au LEAR, comme décrit ci-dessus. Lorsque les résultats d’ASACUSA et de TRAP sont combinés, les masses et les charges du proton et de l’antiproton sont déterminées comme étant égales à un niveau inférieur à 0,7 ppb.

La TCP exige également que le moment magnétique d’une particule soit égal à (moins) celui de son antiparticule. L’expérience BASE actuellement en cours à l’AD déterminera le moment magnétique de l’antiproton à 1 ppb en mesurant la fréquence d’oscillation axiale dépendant du spin dans un piège de Penning soumis à un fort gradient de champ magnétique. L’approche expérimentale est similaire à celle utilisée pour mesurer le moment magnétique du proton avec une précision de 3 ppb (CERN Courier July/August 2014 p8). La collaboration a déjà comparé les rapports charge-masse de l’antiproton et du proton, avec une précision fractionnelle de 6,9 × 10-11 (p7).

Le principe d’équivalence faible (PEF), qui stipule que tous les objets sont accélérés exactement de la même manière dans les champs gravitationnels, n’a jamais été testé avec l’antimatière. Les tentatives utilisant des positrons ou des antiprotons ont jusqu’à présent échoué, en raison de champs électriques ou magnétiques parasites. En revanche, l’atome d’antihydrogène électriquement neutre est une sonde idéale pour tester le WEP. La collaboration AEgIS à l’AD prévoit de mesurer l’affaissement d’un faisceau d’antihydrogène sur une distance d’environ 1 m avec un déflectomètre à deux réseaux. Le déplacement du motif moiré induit par la gravité sera mesuré à haute résolution (environ 1 μm) en utilisant des émulsions nucléaires (figure 6) – la même technique de détection qui a été utilisée pour démontrer l’annihilation de l’antiproton au Bevatron, en 1956.

Le futur, c’est ELENA

Les futures expériences sur l’antimatière au CERN bénéficieront du projet ELENA (Extra Low ENergy Antiproton), qui deviendra opérationnel fin 2017. L’efficacité de capture des antiprotons dans les expériences à l’AD est actuellement très faible (moins de 0,1%), car la plupart d’entre eux sont perdus lors de la dégradation du faisceau de 5 MeV de l’AD aux quelques kiloélectron-volts requis par la tension de confinement des pièges électromagnétiques. Pour surmonter ce problème, ELENA – un anneau de stockage refroidi aux électrons de 30 m de circonférence qui sera situé dans le hall AD – décélérera les antiprotons jusqu’à, typiquement, 100 keV. Une extraction rapide (par opposition à l’extraction lente qui était disponible au LEAR) est prévue pour alimenter les expériences de piégeage.

Une expérience qui profitera de cette nouvelle installation est GBAR, qui vise également à mesurer l’accélération gravitationnelle de l’antihydrogène. Des positrons seront produits par un linac à électrons de 4,3 MeV et utilisés pour créer des ions antihydrogène positifs (c’est-à-dire un antiproton avec deux positrons) qui pourront être transférés dans un piège électromagnétique et refroidis à 10 mK. Après transfert dans un autre piège, où l’un des positrons est détaché, l’antihydrogène sera lancé verticalement avec une vitesse moyenne d’environ 1 m/s (CERN Courier mars 2014 p31).

Il est utile de rappeler que la découverte de l’antiproton à Berkeley était basée sur une soixantaine d’antiprotons observés pendant un parcours de sept heures. Le faisceau de 1,2 GeV/c contenait 5 × 104 plus de pions que d’antiprotons. Aujourd’hui, l’AD délivre toutes les 100 s des faisceaux purs de quelque 3 × 107 antiprotons à 100 MeV/c, ce qui rend le laboratoire du CERN unique au monde pour l’étude de l’antimatière. Au fil des décennies, les faisceaux d’antiprotons ont conduit à la découverte de nouveaux mésons et ont permis de tester avec précision les symétries entre matière et antimatière. Aujourd’hui, les propriétés de l’hydrogène et de l’antihydrogène sont comparées, et des tests précis seront effectués avec ELENA. Les chances de voir une quelconque violation de la symétrie exacte sont minces, le théorème CPT étant une loi fondamentale de la physique. Cependant, l’expérience montre que – comme lors de la découverte surprenante de la non-conservation de la parité en 1957 et de la violation de CP en 1964 – les expériences auront, en fin de compte, le dernier mot.