Une équipe de l’expérience BASE au CERN a réalisé ce jour une première mondiale en transportant en camion un piège rempli d’antiprotons d’un bout à l’autre du site principal du Laboratoire. L’équipe a réussi à maintenir un nuage de 92 antiprotons dans un dispositif novateur, un piège de Penning cryogénique portatif, puis à déconnecter le dispositif de l’installation, à le charger dans un camion et à poursuivre l’expérience après cette opération de transport. C’est là un véritable tour de force : l’antimatière est très difficile à conserver, car elle s’annihile au contact de la matière. Cette première mondiale constitue un test, l’objectif final étant de transporter des antiprotons jusqu’à d’autres laboratoires en Europe, tels que l’Université Heinrich-Heine de Düsseldorf (HHU), où des mesures de très haute précision des propriétés de l’antimatière pourraient être réalisées.

Les particules d’antimatière sont une catégorie de particules présentes dans la nature, presque identiques aux particules de matière ordinaire, mais présentant des charges et moments magnétiques inversés. Selon les lois de la physique, matière et antimatière doivent avoir été créées en quantités égales lors du Big Bang. Les particules et les antiparticules auraient dû rapidement s’annihiler mutuellement, laissant derrière elles un Univers vide. Pourtant, l’Univers contient principalement de la matière : cette asymétrie intrigue les scientifiques depuis des décennies, et leur fait soupçonner qu’existent des différences invisibles qui pourraient expliquer pourquoi la matière est restée, tandis que l’antimatière a presque entièrement disparu.

Pour mieux comprendre l’antimatière, l’expérience BASE vise à mesurer précisément les propriétés des antiprotons, telles que leur moment magnétique intrinsèque, pour ensuite comparer ces mesures avec celles des protons. Mais elle se heurte à une difficulté : « Les machines et équipements de l’usine à antimatière, où est installée l’expérience BASE, génèrent des fluctuations du champ magnétique qui limitent la précision des mesures, explique Stefan Ulmer, porte-parole de l’expérience BASE. Ces fluctuations sont minuscules, de l’ordre d’un milliardième de tesla, soit 20 000 inférieures au champ magnétique de la Terre ; on ne peut pas les détecter à l’extérieur du bâtiment. Cependant, étant donné l’extrême précision des mesures réalisées par l’expérience BASE pour parvenir à une compréhension plus fine des propriétés fondamentales des antiprotons, nous devons sortir l’expérience du bâtiment », explique Stefan Ulmer.

L’usine à antimatière du CERN est le seul endroit au monde où des antiprotons peuvent être produits, stockés et étudiés. Deux décélérateurs successifs, le Décélérateur d'antiprotons (AD) et l’Anneau d’antiprotons de très basse énergie (ELENA), livrent des antiprotons de basse énergie à plusieurs expériences : plus leur énergie est basse, plus il est facile de les stocker et de les étudier. L’expérience BASE, qui détient le record de conservation d’antiprotons (plus d’une année), a inventé une méthode novatrice pour passer à l’étape suivante : transporter des antiprotons dans un espace autonome, en dehors de la ligne de faisceau, pour pouvoir effectuer des recherches plus précises et aussi pour en faire profiter d’autres équipes. C’est pour cela qu’elle a développé le piège BASE-STEP, conçu pour stocker et transporter des antiprotons.

« L’objectif du dispositif BASE-STEP est de piéger des antiprotons et de les livrer à nos laboratoires de précision, dans des espaces spécifiques au CERN, à l’Université Heinrich-Heine de Düsseldorf, à l’Université Leibniz de Hanovre et peut-être dans d’autres laboratoires capables de réaliser des mesures de très haute précision sur des antiprotons, ce qui n’est malheureusement pas possible dans l’usine à antimatière, explique Christian Smorra, chef du projet BASE-STEP. Nous avons validé la faisabilité du projet avec des protons l’an dernier, mais ce que nous avons accompli aujourd’hui avec des antiprotons est un immense pas en avant vers la réalisation de notre objectif. »

Le piège BASE-STEP est suffisamment petit pour pouvoir être chargé dans un camion et passer par des portes standard de laboratoire ; il est aussi capable de supporter les chocs et vibrations dus au transport. L’appareil actuel, qui comprend un aimant supraconducteur, un système de refroidissement cryogénique à hélium liquide, des sources en énergie et une chambre à vide piégeant les antiparticules à l’aide de champs magnétiques et électriques, pèse 1 000 kg : il est donc bien plus compact que le dispositif BASE ou tout autre système utilisé pour étudier l’antimatière.

« Aller jusqu’à notre première destination, notre laboratoire de précision à l’Université Heinrich-Heine en Allemagne, prendrait au moins huit heures, poursuit Christian Smorra. Cela signifie que l’aimant supraconducteur du piège devra rester à une température inférieure à 8,2 kelvins pendant tout ce temps.Donc, en plus de l’hélium liquide, il nous faudrait un groupe électrogène pour alimenter un réfrigérateur cryogénique dans le camion. Nous étudions actuellement les possibilités. » Quoiqu’il en soit, le défi le plus important se trouve à l’arrivée à destination : transférer les antiprotons jusqu’à l’expérience sans qu’ils disparaissent.

« Transporter l’antimatière est une entreprise innovante et ambitieuse, et je félicite la collaboration BASE pour cette réussite remarquable. Nous sommes au début d’une formidable aventure scientifique qui nous permettra d’approfondir nos connaissances sur l’antimatière », conclut Gautier Hamel de Monchenault, directeur de la recherche et du calcul scientifique au CERN.
 

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Kit numérique pour les médias à propos du transport d'antimatière disponible ici.