L'antimatière tombe vers le bas !

Ca y est ! Après des années de développement, la première expérience d'étude de l'effet de la gravitation sur l'antimatière vient de fournir ses résultats : l'antimatière tombe vers le bas ! Les physiciens de l'expérience ALPHA-g publient leur découverte dans Nature. 

Le principe d'Equivalence gravitation - accélération testé avec une précision de 0,000000000000001

La mission MICROSCOPE vient de livrer ses derniers résultats et  confirme le principe d’équivalence de la Relativité Générale avec une précision inégalée de 10^-15. Les corps tombent bien dans le vide avec la même accélération indépendamment de leur composition ou de leur masse. La Relativité Générale d'Albert Einstein est plus solide que jamais. Les résultats sont publiés dans Physical Review Letters.

Les Etoiles de Planck, sondes observationnelles de la gravitation quantique

Une des prédictions de la théorie de la gravitation quantique à boucles est la fin des trous noirs, vus alors comme étant des étoiles de Planck en rebond, qui se désintégreraient en explosant. De telles désintégrations de trous noirs pourraient être observées aujourd'hui pour les plus petits d'entre eux (des trous noirs primordiaux de quelques millimètres de diamètre) par un rayonnement gamma et un rayonnement d'ondes radio, qui ressemblent étonnamment aux singuliers GRB (Gamma Ray Bursts) et FRB (Fast Radio Bursts).

L'Astronomie Sans Photons

L'astronomie, depuis la nuit des temps, exploite la lumière, sous la forme de ses grains, les photons, les particules les plus fondamentales de l'Univers.

Et sa déclinaison astrophysique a poussé l'exploitation des photons dans leurs plus lointains retranchements. Depuis que la lumière a été mieux comprise au début du siècle dernier, les astrophysiciens ont appris à regarder la lumière dans son entièreté, l'entièreté de son spectre en longueur d'ondes (ou en énergie, ce qui revient au même à deux constantes fondamentales près).

Spectre en longueur d'onde des photons

Qu'ils observent les photons du fond diffus cosmologique sous forme de micro-ondes de quelques mm de longueur (avec un maximum d'entre eux à 1,063 mm), ou bien les photons des ondes radio de 21 cm caractéristiques de l'émission de l'hydrogène neutre des grands nuages de gaz interstellaires, les photons émis dans l'infra-rouge par la poussière obscurcissant les cocons d'étoiles, ou bien encore les photons ultra-violets produits par les étoiles les plus jeunes, qu'ils parviennent à attraper des rayons X en provenance de trous noirs supermassifs ou bien des rayons gamma de plusieurs centaines de millions d'electron-volts nés dans la violence inimaginable d'explosions stellaires, les astrophysiciens travaillent toujours avec cette même particule, ce boson de masse nulle dont la vitesse est toujours la même, invariablement, et quelle que soit son énergie, le photon, qui doit son nom, ironie de l'histoire des sciences, au chimiste américain Gilbert Lewis en 1926 qui fit oublier le quantum de lumière (Lichtquant) cher à Einstein et Planck.

Mais l'astrophysique entre aujourd'hui de plain-pied dans une nouvelle ère, celle où les photons ne sont plus les messagers de l'Univers. 

C'est l'année dernière que pour la première fois furent observés d'autres particules (que des photons) venant du milieu extragalactique, des neutrinos à l'énergie colossale, qui furent mis en évidence par l'expérience IceCube. 

Signal mesuré des deux neutrinos les plus énergétiques
(Bert et Ernie) par IceCube
(IceCube collab.)

La première détection de neutrinos pouvant être qualifiés d'astrophysiques ne date en fait pas de 2013 puisque les neutrinos du soleil sont observés depuis les années 1970. L'astrophysique sans photons pourrait aussi être remontée à exactement un siècle en arrière, lorsque que Victor Hess montra en 1913 l'existence d'un rayonnement de particules chargées en provenance de l'espace au-delà de l'atmosphère.

Aujourd'hui, l'astrophysique sans photons, avec l'exploitation du signal que nous donnent les neutrinos de très haute énergie, vit comme une véritable seconde naissance. Car un autre signal astrophysique très différent des photons et des neutrinos, bien que ce déplaçant à la même vitesse (soit légèrement plus vite que les neutrinos), commence à pouvoir être effectivement exploité, et ce en association étroite avec les neutrinos ultra énergétiques (mais sans les photons). Il s'agit des ondes gravitationnelles. 

Ondes gravitationnelles produites
par un système binaire coalescent

Les ondes gravitationnelles potentiellement détectables sur Terre sont théoriquement produites par des processus astrophysiques très violents, de type coalescence entre deux étoiles à neutron, entre deux trous noirs ou entre une étoile à neutron et un trou noir. Ces ondulations de l'espace-temps sont produites principalement dans ces situations de coalescence d'objets ultra-denses, et se trouvent accompagnées dans les phénomènes physiques impliqués par de fortes émissions de neutrinos.

Sachant cela, les astrophysiciens et physiciens des particules ont eu l'idée d'utiliser les deux signaux en même temps pour scruter le ciel avec de nouveaux yeux.

Dans un article qui sera publié prochainement dans Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, Irene Di Palma, chercheuse au Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik à Hanovre, décrit pour la première fois ce type de mesure conjointe qui utilise le signal neutrinos de l'expérience ANTARES (détecteur situé sous l'eau en Méditerranée) et le signal d'ondes gravitationnelles (OG) fourni par les deux grands détecteurs de d'OG que sont l'américain LIGO et l'européen VIRGO.

L'interféromètre VIRGO vu d'avion (CNRS)

En combinant ces deux messagers cosmiques et non-photoniques, la multi-collaboration obtient des résultats astrophysiques sous forme de limites et d'exclusions sur l'origine des neutrinos ultra-énergétiques détectés par ANTARES : leur conclusion est qu'ils ne peuvent pas provenir de couples étoiles à neutron-trou noir qui seraient situés à moins de 16 millions d'années-lumières ni de couples de trous noirs qui seraient situés à moins de 33 millions d'années-lumières.

Ces premiers résultats ont bien sûr un caractère un peu imprécis, c'est normal pour une première, mais ils ouvrent la voie désormais à une vraie astrophysique des événements les plus violents et rares de l'Univers en se passant complètement des photons*.

Les données de IceCube, plus nombreuses et précises vont maintenant être à leur tout exploitées en association avec LIGO et VIRGO, pour des résultats toujours améliorés.

* Ironie du sort, les neutrinos sont détectés par ANTARES et IceCube grâce aux photons qui sont produits par les particules chargées issues des réactions des neutrinos dans l'eau...

Référence :

Multimessenger astrophysics : When gravitational waves meet high energy neutrinos

Irene Di Palma, the ANTARES Collaboration, the LIGO Scientific Collaboration and the Virgo Collaboration

à paraître dans Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A

L’Antimatière Tombe-t-Elle ?

Cette question pourrait sembler loufoque, mais elle est très sérieuse. Actuellement en cours d’étude au CERN, elle pourrait révéler des surprises aux conséquences révolutionnaires.

Une particule et son antiparticule se ressemblent beaucoup. Elles ont la même énergie de masse, mais toutes leurs caractéristiques quantiques sont opposées : charge électrique, spin, isospin, moment magnétique.

Cela signifie que les forces électromagnétiques qui agissent sur les antiparticules ou que produisent ces dernières, sont exactement opposées à celles des particules correspondantes. Alors qu’un proton sera accéléré dans un champ électrique vers l’électrode « moins », l’antiproton sera accéléré dans le sens opposé. Alors qu’un électron tournera dans le sens des aiguilles d’une montre autour d’un champ magnétique, le positron (ou antiélectron), lui, tournera dans le sens contraire.

Schéma du principe de l'expérience AEgIS (CERN)

Il ne paraît pas dénué de sens de se poser la question : « qu’en est-il avec la gravitation ? ». La force de gravitation est-elle différente entre une particule et son antiparticule ? Cette question est d’autant plus intéressante que personne n’a encore pu y répondre expérimentalement.

Evidemment, on sait que la masse des antiparticules n’est pas négative. L’énergie de masse d’un positron est la même que celle d’un électron : 511 keV. 

Quand un électron rencontre un positron, c’est d’ailleurs bien deux photons de 511 keV chacun qui sont créés…

Mais la masse d’un objet ou d’une particule peut être vue deux manières : d’une part la caractéristique qui « subit » un champ de gravitation : la « masse inertielle », et d’autre part, la caractéristique qui « produit » un champ de gravitation autour d’elle : la « masse gravitationnelle ». Ces deux aspects ne sont pas forcément semblables entre une particule et son antiparticule. Le ratio masse gravitationnelle/masse inertielle vaut 1.0 pour la matière, un atome d’hydrogène par exemple.

Le principal but de l’expérience AEgIS (Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy) au CERN est de mesurer directement (et pour la première fois) l’accélération gravitationnelle de la Terre (qui est de la bonne vieille matière) sur des atomes d’antihydrogène (de l’antimatière, donc).

AEgIS est une vaste collaboration qui regroupe des dizaines de physiciens d’un peu partout en Europe.

L’expérience utilise des atomes d’antihydrogène pour la bonne raison que les antiparticules les plus aisées à utiliser (positrons et antiprotons), prises seules, sont électriquement chargées. Or les forces électromagnétiques sont bien plus intenses que ne l’est la gravitation. On n’arrive tout simplement pas à voir l’effet de la gravitation sur une particule chargée.

Schéma du principe de déflectomètre de Moiré (AEgIS collaboration)

Il faut donc fabriquer spécialement des atomes d’antihydrogène, ce qui n’est pas du tout une mince affaire…

Pour fabriquer un faisceau d’atomes d’antihydrogène, les physiciens utilisent les antiprotons fabriqués au CERN pour les besoins du LHC et par de complexes manipulations, parviennent à leur ajouter des antiélectrons qui viennent presque naturellement se mettre en « orbite » des antiprotons pour former ce que l’on peut appeler de l’antihydrogène.

Ces différentes manipulations sont les suivantes :

•  Production de positrons (e+) à partir d’une source de sodium,
• Capture et accumulation d’antiprotons provenant du ralentisseur d’antiprotons du CERN, dans un piège de Penning,
• Production de positroniums (couple électron-positron en interaction électromagnétique de durée de vie très courte) par bombardement de positrons,
• Excitation des positroniums par laser,
• Recombinaison en antihydrogène par échange de charge entre les positroniums et les antiprotons refroidis (avec éjection des électrons).
•  Formation d’un faisceau horizontal par accélération Stark (champs électriques inhomogènes)

Le faisceau d’antihydrogène ainsi produit est horizontal. Il est ensuite envoyé (sous vide bien sûr) dans un dispositif qu’on appelle un déflectomètre de Moiré. Le déflectomètre de Moiré sépare le faisceau initial en deux faisceaux parallèles qui forment une structure périodique. C’est grâce à la mesure précise de cette structure périodique que les physiciens parviennent à évaluer le mouvement des antiatomes par rapport à l’horizontale.

Le déflectomètre est couplé à un détecteur sensible à la position des particules, et qui permet alors de mesurer la différence observée à l’arrivée de l’altitude par rapport à l’altitude d’origine du faisceau. Ensuite, l’intensité de la force de gravitation à l’œuvre est déterminée en connaissant le temps de vol de ces antiatomes entre le moment de leur formation et celui de leur arrivée.

Les physiciens peuvent en déduire si les atomes d’antihydrogène tombent comme de l’hydrogène, si ils tombent plus vite ou moins vite, ou bien si ils… montent !

Vue d'ensemble de l'expérience AEgIS (CERN)

Vous l’aurez compris, nous n’avons pas encore la réponse. L’expérience vient tout juste de démarrer et le processus d’élaboration du faisceau d’antiatomes comme on l’a vu est très complexe.

Pendant ce temps-là, une autre expérience, elle aussi installée au plus près des meilleures sources d’antiproton, au CERN, dénommée ALPHA, s’attache à mesurer les différences potentielles entre hydrogène et antihydrogène. ALPHA a développé pour cela un système élaboré de piégeage d’antihydrogène.

Grâce à leur système, les physiciens d’ALPHA ont eu l’idée de regarder dans quelles zones se retrouvaient leurs antiatomes en fonction du temps, afin d’observer leur chute libre (ou montée libre). Ils ont publié il y a deux mois leurs premiers résultats, qui sont encore avec une grosse barre d’erreur, mais ils offrent une technique potentiellement puissante pour ce type de mesure qui pourra être améliorée pour gagner en précision. 

Le ratio Mg/M qu’ils déduisent pour les atomes d’antihydrogène est compris entre -75 et +110 (rappelons que ce ratio vaut 1 pour l’hydrogène). Tout est encore possible…

A ce stade, vous vous dites : « Qu'impliqueraient des antiatomes qui montent au lieu de chuter ? ».  

Si tel est le cas, nous sommes en face d’une révolution conceptuelle. Nous devrons abandonner le principe d’équivalence faible qui stipule que tout corps se comporte de la même façon dans un champ gravitationnel quelle que soit sa masse.

Mais il y a pire (ou mieux) : si il y a une réelle répulsion gravitationnelle entre matière et antimatière, on peut aussi penser qu’il y a répulsion entre l’antimatière et elle-même (de manière antisymétrique à ce que l’on connaît en électromagnétisme où deux charges identiques se repoussent et deux charges différentes s’attirent).

Les implications cosmologiques sont considérables. On pourrait enfin comprendre pour quelle raison on observe une asymétrie entre matière et antimatière dans l’Univers. Si l’antimatière n’est pas attirée par la matière mais au contraire la repousse, elle aurait pu se décorréler de la matière au cours de l’Univers très primordial, et en quelque sorte s’en éloigner pour peupler des zones de l’Univers non observable aujourd’hui.

Vue d'ensemble de l'expérience ALPHA (CERN).

De plus, si l’antimatière se repousse elle-même, cela signifie que les antiparticules primordiales (antiprotons et positrons) se sont peut être accouplées par interactions électromagnétiques, mais ensuite les antiatomes d’hydrogène n’auraient pas pu s’agglutiner autour des halos de matière noire dans l’Univers primordial : pas d’antiétoiles, pas d’antigalaxies. L’antihydrogène est voué dans ces conditions à errer seul dans l’espace infini…

Enfin, et c’est peut-être le plus troublant, des théoriciens ont montré qu’avec une antimatière répulsive, en faisant la simple hypothèse d’une symétrie originelle exacte entre quantités de matière et d’antimatière, l’Univers pourrait être très différent de ce que l’on pense aujourd’hui,  car ne nécessitant plus l’ajout d'une phase inflationnaire ni d'énergie noire… (en savoir plus).

Il y a sans doute un peu trop de « si » dans mes dernières phrases... Avant de refaire le monde, attendons un peu les futurs résultats de ces expériences qui sont assez méconnues et sans doute les plus passionnantes du moment !...

Références :

Expérience AEgIS ;

http://aegis.web.cern.ch/aegis/

Expérience ALPHA :

http://alpha.web.cern.ch/

Description and first application of a new technique to measure the gravitational mass of antihydrogen

The ALPHA Collaboration & A.E. Charman

Nature Communications 30 april 2013

Un Système Binaire Extraordinaire

L'actualité voudrait que je vous raconte que Kepler vient de faire une nouvelle découverte passionnante, rendez-vous compte, un système planétaire qui tourne autour de deux étoiles (un système binaire). Mais comme vous le savez, je l'ai déjà évoqué ici,  la découverte de nouveaux systèmes planétaires, fussent-ils autour d'un couple d'étoiles, n'est pas très intéressant en soi, étant donné qu'il en existe des milliards, et que les étoiles vivent principalement en couple, il n'y a donc rien de très étonnant dans l'observation de Kepler-47, si ce n'est le début d'une longue série de découvertes du même genre qui vont se succéder à un rythme toujours plus soutenu.

Vue très artistique! du système produisant des ondes gravitationnelles

C'est d'un autre système binaire dont je vais vous parler et d'une découverte bien plus intéressante, à savoir la mise en évidence d'ondes gravitationnelles produites non pas par un couple de trous noirs, comme on pourrait s'y attendre mais par un couple de naines blanches (l'histoire ne dit pas si des planètes gravitent autour de ce système).

Les ondes gravitationnelles sont une manifestation de l'espace-temps tel qu'il est décrit par la théorie de la relativité d'Einstein. Elles n'ont encore jamais été observées de manière directe, mais on peut en mesurer l'existence de manière indirecte. C'est ce qui vient d'être fait par une équipe d'astronomes américains.

Que faut-il pour produire de telles vibrations de l'espace-temps ? Il faut des objets compacts (denses) en mouvement rapide, c'est tout. Les prédictions théoriques montrent que les meilleurs candidats à la production d'ondes gravitationnelles sont ainsi des couples d'étoiles à neutrons ou de trous noirs stellaires, qui par leur rotation très rapide l'un autour de l'autre peuvent produire ces vagues tout en perdant de l'énergie gravitationnelle. Ils tombent inexorablement l'un sur l'autre.

Le système binaire de naines blanches J0651, situé à seulement 3000 années-lumières de nous, a été découvert l'année dernière par des astronomes du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics et a été étudié depuis en mesurant la rotation des deux étoiles l'une autour de l'autre.

Ce système est extrêmement serré, imaginez : les étoiles sont séparées par seulement un tiers de la distance Terre-Lune, soit environ 150 000 kilomètres, une broutille à l'échelle stellaire. C'est mille fois moins que la distance qui nous sépare du Soleil. Et elles sont si étroitement serrées qu'elles tournent l'une autour de l'autre en seulement 13 minutes! Il y a ainsi une éclipse toutes les 6 minutes.

J.J. Hermes et ses collaborateurs ont montré, en mesurant le temps séparant chaque éclipse, que cette durée ne cessait de diminuer. Par rapport aux premières mesures effectuées en avril 2011 lors de la découverte du système, les éclipses actuelles arrivent déjà 6 secondes plus tôt. En perdant de l'énergie par émission d'ondes gravitationnelles, les étoiles se rapprochent et leur rotation s'accélère, ce qui produit la diminution observée de l'intervalle entre deux éclipses.

J0651 va donc devenir une cible de choix pour les instruments de mesure d'ondes gravitationnelles qui essayent d'en détecter directement, tant bien que mal, sur Terre, comme les expériences VIRGO ou LIGO. Les astrophysiciens menés par Hermes vont quant à eux poursuivre leurs mesures de périodes de rotation sur J0651, en espérant pouvoir observer une accélération toujours plus marquée et évaluer l'énergie gravitationnelle perdue avec toujours plus de précision.

Malheureusement, on ne devrait pas pouvoir assister dans un avenir proche à la fusion (inéluctable) des deux étoiles, cette fusion devant avoir lieu dans environ 2 millions d'années au rythme actuel... 

Source :

Rapid Orbital Decay in the 12.75-minute WD+WD Binary J0651+2844

J. J. Hermes et al.

ArXiv, soumis à Astrophysical Journal Letters