La structure de l’atome d’antihydrogène ressemble comme deux gouttes d’eau à celle de son double de matière, l’hydrogène, et même en ce qui concerne les niveaux d’énergie très proches… Ces niveaux d’énergie sont spécifiques à chaque élément. C’est le résultat annoncé par l’expérience Alpha du Cern qui a réussi à observer pour la première cette « structure hyperfine » de l’antihydrogène, même si les physiciens se doutaient depuis 2016 de la très grande similarité entre la matière et son double l’antimatière.
Selon les théories en vigueur pour expliquer l’Univers et son évolution, au moment du Big Bang, lorsque le Cosmos était très dense et très chaud, il s’est produit autant de matière que d’antimatière : les électrons, particules de matière ordinaire de charge électrique négative, ont leur équivalent antimatière appelé positron, qui ressemble en tout point à l’électron mais doté d’une charge positive. Les deux ayant exactement la même masse. Mais, aujourd’hui dans l’Univers l’antimatière a totalement disparu, sans que les physiciens puissent comprendre la véritable raison. C’est donc une des énigmes les plus tenaces de l’Univers. Pourtant dans les accélérateurs de particules l’apparition d’une particule de matière s’accompagne toujours de son double d’antimatière.
Pour comprendre ce mystère il faut pouvoir relever l’infime différence entre matière et antimatière : peut-être cela nous fournira un indice sur la raison de la disparition de l’antimatière de notre Univers.
Les premiers antihydrogènes du Cern
C’est dans ce but qu’en 1995, le Cern a produit en première mondiale neuf atomes d’antihydrogène. Un atome d’hydrogène est formé d’un proton (particule chargée positivement ) et d’un électron (chargée négativement ), ce qui fait que l’atome lui-même est neutre. Pour l’antihydrogène c’est un positron autour d’un antiproton.
Depuis la production d’antihydrogène a progressé et de nombreuses expériences tentent de sonder l’antimatière. Or, l’une des propriétés essentielle d’un atome est son spectre d’énergie : la physique quantique nous explique en effet que l’énergie d’un atome varie en sauts quantiques, c’est-à-dire par niveau bien précis. Elle ne peut prendre que des valeurs bien précises. L’atome d’hydrogène émet ainsi un rayonnement d’une longueur d’onde de 21 cm, qui traduit la transition entre deux niveaux d’énergie de la structure hyperfine de l’élément. C’est même ainsi que les astrophysiciens détectent les nuages d’hydrogène. L’expérience du Cern indique que l’antihydrogène émettrait exactement la même longueur d’onde… Une vraie réussite, mais cette similarité ne permet toujours pas de pointer un comportement différent entre ces deux frères ennemis et ainsi expliquer la disparition de l’antimatière.
