Antihydrogène

L’antihydrogène est l’antiatome d’hydrogène : il s’agit d’un atome d’antimatière, composé d’un positron formant un nuage autour d’un antiproton comme noyau atomique. On le représente souvent par le symbole chimique H (prononcé « H barre »), dont l’usage n’est cependant pas reconnu par l’Union internationale de chimie pure et appliquée.

Réaction produisant pour la première fois de l’antihydrogène au CERN en 1995.

Sommaire

Production

Le premier « antiatome » d’antihydrogène a été produit en 1995 au CERN à Genève par l’expérience LEAR (Low Energy Antiproton Ring) conçue pour produire et stocker de l’antimatière : elle consistait à bombarder des agrégats atomiques de xénon avec des antiprotons, qui génèrent des paires électron-positron à proximité des noyaux de xénon, d’où la probabilité (très faible, de l’ordre de 10-19) de produire des atomes d’antihydrogène[1],[2].

Les expériences ATRAP et ATHENA du CERN ont utilisé du sodium radioactif comme source de positons sur des antiprotons piégés dans un champ magnétique, ce qui permit de produire une centaine d’atomes d’antihydrogène par seconde. Ces derniers avaient une température de quelques centaines de kelvins, ce qui ne permettait pas de les conserver car ils s’annihilaient contre les parois du dispositif. La production d’antihydrogène basse température vise précisément à pouvoir conserver les antiatomes ainsi produits. À cette fin, on a publié des expériences où des positons et des antiprotons ont été piégés dans des champs magnétiques[3],[4]. Les méthodes de production d’antihydrogène ont fait l’objet de brevets[5], mais le confinement obtenu n’est jamais de très longue durée, et l’antimatière est loin de pouvoir être disponible commercialement.

Le 18 novembre 2010, des chercheurs du CERN ont annoncé qu’ils ont réussi à piéger pour la première fois des atomes d’antihydrogène dans un champ magnétique[6].

Propriétés

En vertu de la symétrie CPT (regroupant les symétries de charge, de parité et de temps), l’antihydrogène devrait avoir globalement les mêmes propriétés que l’hydrogène, notamment la même masse, le même moment magnétique et les mêmes niveaux d’énergie, d’où par exemple une même signature spectrale. La question de l’interaction gravitationnelle de l’antimatière demeure ouverte : l’opinion largement dominante est que matière et antimatière interagissent gravitationnellement de manière identique, mais les recherches se poursuivent activement pour en avoir la preuve.

Comme n’importe quel élément d’antimatière, l’antihydrogène s’annihile au contact de la matière en libérant de l’énergie sous forme de photons γ et de particules énergétiques de la famille des mésons qu’on appelle des pions, lesquels se désintègrent à leur tour en muons, neutrinos, électrons et positons.

Autres éléments d'antimatière

À ce jour, seuls des atomes d’antihydrogène H et des noyaux d’antideutériumantiproton + antineutron — ont été produits, avec une énergie thermique trop élevée et une densité trop faible pour permettre d’observer des molécules d’antidihydrogène H2 ni même des atomes d’antideutérium D.

Selon un article paru sur un site de prépublication[7], un noyau d'antihélium He aurait été observé en 2011.

Notes et références

  1. W. Oelert and M. Macri, « Production of Antihydrogen », dans Physics Letters B, vol. 368, 1996, p. 251ff .
  2. A. Aste, « Electromagnetic Pair Production with Capture », dans Physical Review A, vol. 50, 1993, p. 3980ff .
  3. G. Gabrielse, « The ingredients of cold antihydrogen: Simultaneous confinement of antiprotons and positrons at 4 K », dans Physics Letters B, vol. 455, no 1-4, 1999, p. 311–315 [texte intégral, lien DOI] .
  4. G. Andresen, « Antimatter Plasmas in a Multipole Trap for Antihydrogen », dans Physical Review Letters, vol. 98, 2007, p. 023402 [texte intégral, lien DOI] .
  5. Hessels Eric Arthur, « Process for the production of antihydrogen », dans US patent, vol. 6163587, December 2000 [texte intégral] .
  6. (en)Scientists capture antimatter atoms in particle breakthrough, CNN, publié le 18 novembre 2010.
  7. (en) Observation of the antimatter helium-4 nucleus

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