Pour la première fois de l'histoire, de l'antimatière a quitté un laboratoire et a été transportée à bord d'un camion pendant une heure et demie. En quantité négligeable, certes, mais il aura fallu des années de recherches et l'expertise des meilleurs esprits du CERN (Organisation européenne pour la recherche nucléaire) pour y parvenir.
- Pour la première fois, 92 antiprotons ont été transportés par camion sur le campus du CERN.
- Le transport a nécessité un dispositif complexe pour confiner l'antimatière sans contact avec la matière.
- Le projet, débuté en 2016, vise à transporter des antiprotons sur 800 km vers une université en Allemagne.
Pour chaque particule de matière qui compose l'univers observable, la physique théorique prédit l'existence d'une antiparticule jumelle : même masse, mais dotée d'une charge opposée et de propriétés magnétiques inversées. Les antiprotons pour les protons, les positrons pour les électrons, les antineutrons pour les neutrons, les antiquarks pour les quarks, etc. Ensemble, ils forment ce qu'on appelle l'antimatière. Elle obéit au mêmes lois que la matière, mais sa propriété la plus fondamentale est « légèrement » contraignante : tout contact entre matière et antimatière aboutit à leur annihilation totale.
Le CERN fabrique des antiparticules (principalement des antiprotons) de manière courante depuis les années 1970 et 1980, mais dispose aujourd'hui d'équipements dédiés pour en fabriquer : l'Antiproton Decelerator et l'anneau ELENA (Extra Low ENergy Antiproton ring).
Le 24 mars l'organisme de recherche a annoncé que 92 antiprotons ont été chargés à bord d'un camion et transportés durant une heure et demie sur son campus. Une expérience inédite, menée en collaboration avec des chercheurs de l'université Heinrich Heine de Düsseldorf, qui a servi de test grandeur nature pour les futurs protocoles de transport d'antimatière. En effet, dès les années 2010, les chercheurs ont compris que pour faire avancer la physique fondamentale, il ne suffirait plus d'attendre que les particules viennent à eux dans les accélérateurs de particules. L'idée de délocaliser ces expériences pour gagner en précision a commencé à germer, car les environnements des accélérateurs sont très bruyants, rendant nécessaire le transfert de ces particules vers des zones à l'abri de toute pollution électromagnétique.
Le transport le plus délicat de l'histoire de la physique
Pour déplacer de l'antimatière, même en très petite quantités, il est obligatoire de la confiner, puisqu'elle ne peut pas être posée ou contenue de manière matérielle sans disparaître en un flash de rayonnement gamma. Christian Smorra, physicien au CERN et responsable du projet, explique : « Au départ, on voulait construire quelque chose qui tienne dans le coffre d'une voiture. Mais dès qu'on commence à regarder les détails, ce qu'il faut vraiment construire pour que ça fonctionne, ça devient de plus en plus grand ».
Ces 92 antiprotons ont dû être piégés dans un dispositif pesant… une tonne. C'est énorme par rapport à la taille de ce chargement un peu particulier, puisqu'il ne mesurait en théorie qu'environ 155 femtomètres si l'on considère que rayon de charge d'un antiproton est d'environ 0,84 femtomètre (0,84 * 10-15m). Ce n'est donc pas leur taille qui a dicté la taille du dispositif, mais les contraintes physiques pour qu'ils se maintiennent en vie.
Ainsi, dans la remorque du camion se trouvait un piège de Penning (voir ci-dessous) : un cylindre creux placé dans une armoire blindée, dont les parois sont tapissées d'électrodes. Ces électrodes, combinées à un puissant champ magnétique généré par des bobines, créent une cage invisible à l'intérieur de laquelle les antiprotons tournent en orbite sans jamais toucher les parois.
Pour que ces aimants génèrent un champ assez puissant, ils doivent être supraconducteurs, c'est-à-dire capables de conduire le courant sans provoquer aucune résistance électrique ou dégagement de chaleur. Cette propriété n'existe qu'à des températures extrêmes : les bobines sont refroidies à environ 4 Kelvin, soit -269°C, grâce à de l'hélium liquide. Soit à peine quelques degrés au-dessus du zéro absolu, la température la plus basse qu'il soit physiquement possible d'atteindre.
Autour du piège, l'armoire blindée, une enceinte métallique épaisse couplée à des pompes à vides (un cryostat plus précisément), maintient une pression si basse qu'elle s'approche de celle du vide spatial, éliminant tout risque qu'une molécule extérieure ne pénètre l'ensemble.
Des précautions essentielles, puisque si un seul des antiprotons avait été en contact avec l'extérieur, les 91 restants auraient été entraînés par effet domino, chaque collision secondaire déclenchant une nouvelle annihilation jusqu'à vider totalement le piège. Rien de dangereux en soi, puisque la disparition de ces quelques particules ne générerait pas l'ombre d'une étincelle visible, l'énergie produite étant instantanément absorbée par la structure métallique du cryostat.
En revanche, pour les chercheurs, l'expérience aurait été un échec cuisant : la perte d'un échantillon aussi précieux aurait gâché des années de travail et des ressources colossales.
Une victoire pour la physique fondamentale
Le test a été concluant : à leur retour au laboratoire, les 92 antiprotons étaient intacts. Un soulagement pour Christian Smorra : « Je crois que c'est le trajet le plus excitant que j'aie jamais fait ». La tension devait être à son comble ; le projet était dans les cartons du CERN depuis 2016, année où le développement du piège a commencé.
BASE-STEP, de son petit nom (pour Baryon Antibaryon Symmetry Experiment et son extension Storage and Transport of Antiprotons) n'aura été que le premier pas du futur objectif du CERN. Faire voyager cette même cargaison entre le laboratoire (Meyrin, à la frontière franco-suisse), jusqu'à l'université Heinrich Heine de Düsseldorf. Un périple de 800 km qui s'annoncera autrement plus difficile, puisque le camion devra affronter les aléas de la route.
Le 24 mars 2026 est donc une date à graver dans l'histoire de la physique : l'antimatière n'est plus prisonnière de l'endroit où elle est fabriquée. Si le transport Meyrin-Düsseldorf s'avère être également un succès, il établira un standard, prouvant qu'il est possible d'exporter des échantillons quantiques fragiles sur longue distance. Cela permettra de les étudier dans des laboratoires plus adaptés, libérés des contraintes de sécurité et d'espace imposées par les tunnels des collisionneurs. Nous n'en sommes pas encore là, mais jamais nous n'avons été si proches de mettre fin à la dépendance géographique des physiciens, qui restent contraints de prévoir leurs protocoles expérimentaux en fonction des limites inhérentes au site du CERN.
Source : Scientific American
Un piège de Penning utilise une combinaison de champs électrique et magnétique pour maintenir des particules chargées en suspension, sans contact avec une paroi matérielle. Le champ magnétique force les antiprotons à décrire des trajectoires hélicoïdales, tandis que des électrodes créent un potentiel électrique qui les empêche de s’échapper le long de l’axe du dispositif. Comme les antiprotons sont chargés négativement, on peut les “piloter” avec ces champs de manière très fine. Cette méthode est indispensable parce qu’un simple contact avec de la matière ordinaire provoquerait une annihilation immédiate.
Pourquoi la supraconductivité à environ 4 kelvins est-elle cruciale pour transporter de l’antimatière ?Pour générer un champ magnétique suffisamment intense et stable, les bobines doivent supporter des courants élevés sans échauffement. En régime supraconducteur, la résistance électrique devient quasi nulle, ce qui évite les pertes d’énergie et les variations de champ qui pourraient déstabiliser le confinement. Atteindre cet état nécessite un refroidissement cryogénique, typiquement avec de l’hélium liquide autour de 4 K. La stabilité thermique et électrique est un point clé, car une perturbation du champ magnétique peut entraîner la perte du piège et donc des particules confinées.
Quel est le rôle d’un cryostat et du vide poussé pour éviter l’annihilation de l’antimatière pendant un transport ?Un cryostat est une enceinte isolée conçue pour maintenir des températures très basses et, souvent, un environnement de vide poussé autour de l’appareil. Le vide limite drastiquement la présence de molécules résiduelles (gaz) susceptibles de percuter les antiprotons et de provoquer leur annihilation. Réduire la pression diminue aussi les interactions parasites qui peuvent perturber les trajectoires des particules piégées. L’enceinte blindée ajoute une protection mécanique et électromagnétique, afin de garder un environnement aussi “propre” et stable que possible pendant le déplacement.
