On imagine souvent l’antimatière comme un concept tout droit sorti d’un roman de science-fiction, une matière inversée qui n’existerait que dans les laboratoires les plus secrets ou dans l’imagination des scénaristes hollywoodiens. Pourtant, cette idée reçue mérite d’être sérieusement nuancée. L’antimatière est bel et bien une réalité physique, étudiée depuis des décennies par les chercheurs du monde entier. Mieux encore, elle a été fabriquée, observée, mesurée. Et tout cela a commencé de façon spectaculaire au CERN, près de Genève, lorsque Walter Oelert et son équipe ont réussi un exploit resté gravé dans l’histoire de la physique des particules. En faisant traverser un jet de xénon à des antiprotons, ils ont assisté à la naissance de quelque chose qui n’avait littéralement jamais existé auparavant : des atomes complets d’antimatière. Retour sur une expérience aussi rigoureuse que fascinante, qui a changé notre regard sur l’univers et ses mystérieux reflets inversés.
- En 1995, l'équipe de Walter Oelert a mené au CERN l'expérience PS210, produisant pour la première fois neuf atomes complets d'antihydrogène par collisions d'antiprotons avec un jet de xénon.
- Chaque atome d'antihydrogène n'a existé qu'environ quarante milliardièmes de seconde avant de s'annihiler, et l'annonce officielle de cette première mondiale n'est intervenue qu'en 1996 dans Physics Letters B.
- Cette percée a ouvert la voie aux expériences ATHENA et ATRAP ainsi qu'au décélérateur ELENA, permettant d'étudier plus en profondeur l'antimatière et le mystère de son absence apparente dans l'univers.
Le contexte scientifique qui a mené à l’expérience de 1995
Pour comprendre l’ampleur de ce qui s’est joué au CERN en 1995, il faut remonter un peu plus loin dans l’histoire de la physique. L’antiproton, cette particule jumelle du proton mais de charge opposée, avait été découvert trente ans plus tôt. Un anniversaire presque symbolique, puisque l’expérience menée par l’équipe de Walter Oelert est intervenue exactement trente ans après cette découverte fondatrice, ouvrant ainsi un nouveau chapitre dans l’étude de l’antimatière. Entre-temps, les physiciens savaient produire des antiprotons isolés, mais personne n’était encore parvenu à assembler une particule d’antimatière avec une autre pour former un véritable atome. C’est précisément ce défi que s’est donné Walter Oelert, alors chercheur au Forschungszentrum Jülich, en Allemagne. Avec son équipe, il a dirigé l’expérience baptisée PS210 au CERN, dans le but affiché de créer, pour la toute première fois, un atome d’antihydrogène complet, c’est-à-dire composé d’un antiproton et d’un positron, l’équivalent antimatière de l’électron.
L’enjeu était colossal, car jusqu’alors, aucun atome d’antihydrogène n’avait jamais été produit par qui que ce soit. L’expérience reposait sur l’utilisation de l’accélérateur LEAR, le Low Energy Antiproton Ring, un outil précieux du CERN dont l’arrêt était déjà programmé. Cette contrainte de calendrier ajoutait une pression supplémentaire considérable : il fallait que tout fonctionne, et vite, sans possibilité de recommencer l’expérience sur une nouvelle génération de machines.
Comment Walter Oelert a conçu le dispositif expérimental au CERN
Face à cette urgence, l’équipe de Walter Oelert a dû faire preuve d’une précision remarquable dans la conception de son dispositif. Le matériel a été installé au printemps 1995, puis l’expérience proprement dite s’est déroulée durant l’automne de la même année. Loin d’être continue, elle s’est étalée sur quatre semaines, par séquences de deux heures seulement à chaque fois. Un rythme qui peut sembler modeste, mais qui correspondait aux contraintes techniques imposées par l’accélérateur et par la nature même du phénomène recherché.
Le principe de l’expérience consistait à faire circuler un faisceau d’antiprotons à travers un jet de xénon, un gaz noble dont les atomes, relativement lourds, offraient un terrain de collision idéal. L’idée était qu’au moment du passage à proximité du noyau d’un atome de xénon, un antiproton puisse capturer un positron et former ainsi un antihydrogène. Autant dire que la probabilité qu’un tel événement se produise était infime, un peu comme chercher à attraper une mouche précise dans un essaim en plein vol, sans jamais pouvoir ralentir le mouvement. C’est pourtant cette approche minutieuse, combinée à une instrumentation extrêmement sensible capable de détecter la moindre trace de l’événement recherché, qui allait porter ses fruits.
La création des neuf atomes d’antihydrogène : déroulement et résultats
Au terme de ces semaines d’observation intensive, le résultat est tombé, aussi discret que retentissant dans le monde scientifique : neuf atomes d’antihydrogène avaient été produits par collisions entre antiprotons et atomes de xénon. Un chiffre qui peut paraître dérisoire au premier abord, mais qui représentait en réalité une première absolue. Pour la toute première fois dans l’histoire de la science, des particules d’antimatière avaient été réunies pour former des atomes complets, ouvrant la voie à tout un programme de mesure détaillée de l’antihydrogène.
Chacun de ces neuf atomes n’a existé que l’espace d’un instant, environ quarante milliardièmes de seconde, le temps de parcourir une dizaine de mètres à une vitesse proche de celle de la lumière, avant de s’annihiler au contact de la matière ordinaire. Un ballet d’une brièveté vertigineuse, presque impossible à concevoir à l’échelle humaine, mais parfaitement mesurable grâce aux détecteurs sophistiqués du CERN. Prouver que ces atomes d’antihydrogène avaient bien été formés a d’ailleurs nécessité plusieurs semaines supplémentaires d’analyse minutieuse des données collectées. L’annonce officielle n’est intervenue qu’au début de l’année 1996, confirmée par la suite dans la revue scientifique Physics Letters B, qui a validé cette première mondiale aux yeux de toute la communauté des physiciens.
L’impact de cette découverte sur la physique moderne et les recherches futures
Cette percée de 1995 n’était qu’un point de départ, mais quel point de départ. Sept ans plus tard, le Décélérateur d’antiprotons du CERN a pris le relais, avec les expériences ATHENA et ATRAP qui sont parvenues à produire des atomes d’antihydrogène en bien plus grand nombre, ouvrant la voie à des mesures beaucoup plus poussées sur les propriétés de l’antimatière. Ce passage d’une poignée d’atomes isolés à une production quasi industrielle, à l’échelle de la physique des particules du moins, illustre parfaitement comment une expérience pionnière peut en quelques années transformer un champ de recherche tout entier.
Walter Oelert, pour sa part, n’en est pas resté là. Il a continué à œuvrer dans ce domaine en participant à l’une des expériences pionnières sur l’antimatière au début des années 2000, puis en contribuant à l’initiation du nouveau décélérateur d’antimatière ELENA, un outil pensé pour affiner encore davantage l’étude de ces particules si particulières. Le chercheur allemand, né en 1942, est décédé en 2024, à l’âge de 82 ans, laissant derrière lui un héritage scientifique considérable. Aujourd’hui encore, les équipes du CERN poursuivent ce travail, cherchant notamment à comprendre pourquoi l’univers semble majoritairement composé de matière, alors que la théorie prévoit qu’il devrait contenir autant d’antimatière. Une question vertigineuse, directement héritée de cette expérience menée dans la discrétion d’un automne 1995, où neuf atomes fugaces ont suffi à ouvrir une porte vers l’un des plus grands mystères de la physique moderne.
De cette aventure scientifique, on retient surtout la ténacité d’une équipe qui a su transformer une fenêtre de tir extrêmement courte en une découverte fondatrice. Trente ans après les faits, l’expérience PS210 continue d’inspirer les physiciens qui, au CERN comme ailleurs, tentent de percer les secrets de cette matière inversée. Une chose est sûre : grâce à Walter Oelert et à son équipe, l’antimatière n’est plus seulement une hypothèse théorique, mais une réalité tangible, née un jour d’automne au cœur d’un accélérateur de particules.
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