Physique des particules : découverte d'un noyau atomique d'antimatière d'un poids record

Un groupe de recherche international a découvert le noyau atomique d'antimatière le plus lourd jamais observé, appelé antihyperhydrogène-4, une variante exotique de l'antihydrogène. Comme le rapporte la collaboration dans la revue "Nature", il s'agit d'un noyau atomique composé d'un antiproton, de deux antineutrons - c'est-à-dire les antiparticules respectives du proton et du neutron - et d'une particule antilambda, une combinaison de quark anti-Up, anti-Down et anti-Strange. Ils ont utilisé pour cela le détecteur STAR du Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), un accélérateur de particules situé sur le site du Brookhaven National Laboratory aux États-Unis. Au total, les chercheurs ont trouvé 16 noyaux atomiques d'antihyperhydrogène-4 dans les données.

Pour chaque particule élémentaire, il existe - selon la théorie - une antiparticule. Les deux ont les mêmes propriétés, par exemple exactement la même masse. Leurs charges sont cependant opposées. Les opposés s'attirent, dit-on. Dans le cas de la matière et de l'antimatière, elles se détruisent même mutuellement. On dit qu'elles se désintègrent dans une réaction d'annihilation. D'autres particules plus légères sont alors créées. Cependant, même après des décennies de recherche intensive, l'antimatière continue de poser de nombreux mystères. Il n'existe toujours pas d'explication convaincante pour expliquer pourquoi, alors que la matière et l'antimatière ont dû être créées à parts égales lors du Big Bang, l'univers visible aujourd'hui n'est constitué que de matière.

Pour trouver la raison de ce minuscule déséquilibre, des chercheurs du monde entier tentent de simuler les conditions qui ont prévalu juste après le big bang, comme des températures et des pressions extrêmes. Pour ce faire, ils accélèrent des protons, des électrons ou des noyaux atomiques plus gros à une vitesse proche de celle de la lumière dans d'immenses installations et les font entrer en collision. Les produits de désintégration permettent d'étudier la structure de la matière et de l'antimatière et la manière dont elles interagissent.

Aucun signe de déviation de la théorie

L'accélérateur RHIC est normalement utilisé pour étudier le plasma quark-gluon et la structure de spin du proton. En 2011, l'antihélium 4, l'élément d'antimatière le plus lourd à ce jour, y a déjà été produit et observé. Aujourd'hui, les chercheurs se sont penchés sur les données de six milliards de collisions de noyaux atomiques d'or et y ont fait une découverte remarquable : un noyau atomique exotique d'antimatière encore non détecté - l'antihyperhydrogène-4. Pour qu'un tel noyau atomique se forme, il faut qu'un antiproton, deux antineutrons et une particule antilambda se rencontrent au même endroit. Cela se produit extrêmement rarement. Une particule antilambda est une particule à durée de vie très courte, composée d'un quark anti-Up, d'un quark anti-Down et d'un quark anti-Strange.

Comme l'antihyperhydrogène-4 a également une durée de vie très courte et se désintègre en une fraction de seconde, les scientifiques ont dû faire un détour par les produits de désintégration connus : Antihélium-4 et un pion, ce dernier étant composé d'un quark et d'un anti-quark. Ces particules plus stables leur ont permis de déduire que le noyau exotique et lourd de l'antiatome avait dû exister pendant un bref instant.

L'étape suivante a consisté à comparer la durée de vie de l'antihyperhydrogène-4 avec celle de l'hyperhydrogène-4, son équivalent en matière normale. Ils n'ont constaté aucune différence. Bien que cela confirme les modèles physiques actuels, cela ne donne aucune indication sur la façon dont le déséquilibre entre matière et antimatière se produit dans l'univers.

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