L'antimatière tombe comme la matière, en soutenant la théorie de la gravité d'Einstein.

C'est officiel : l'antimatière tombe vers le bas, pas vers le haut.

Dans une expérience inédite, des scientifiques ont laissé tomber des atomes d'antihydrogène et les ont observés tomber, démontrant ainsi que la gravité attire l'antimatière vers la Terre, plutôt que de la repousser.

L'étude confirme un pilier de la théorie générale de la relativité d'Einstein connu sous le nom de principe d'équivalence faible. Selon ce principe, la gravité agit de la même manière sur chaque objet, quelle que soit sa composition. "Ce concept est au cœur de notre compréhension de la gravitation", explique le physicien Ruggero Caravita, qui n'a pas participé à cette nouvelle étude.

L'antimatière est l'image miroir de la matière, portant une charge électrique opposée mais la même masse. Par exemple, l'antiparticule de l'électron est une particule chargée positivement appelée positron. L'alter ego d'un proton est un antiproton chargé négativement, et ainsi de suite.

La plupart des physiciens n'envisageaient pas sérieusement l'idée que l'antimatière puisse tomber vers le haut au lieu de vers le bas, explique Jeffrey Hangst, de l'université d'Aarhus au Danemark. Mais les scientifiques n'avaient jamais pu le tester directement auparavant. "L'antimatière est un peu mystérieuse... donc nous voulons réellement confirmer ce comportement", déclare Hangst, porte-parole de la collaboration Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA), qui a annoncé ce nouveau résultat.

Non seulement l'antimatière est tombée comme prévu, mais elle est également tombée avec à peu près la même accélération que la matière normale, ont découvert les chercheurs.

Les résultats, décrits dans la revue Nature du 28 septembre, témoignent du contrôle croissant des scientifiques sur l'antimatière, et en particulier sur l'antihydrogène. L'antimatière est une substance rusée qui peut être difficile à manipuler. Si elle touche n'importe quoi composé de matière - les parois d'un conteneur de stockage ou les molécules d'air - elle disparaît rapidement. Il a fallu des décennies de travail pour mesurer le moindre effet de la gravité sur l'antimatière, explique Hangst.

Dans l'expérience, réalisée au laboratoire européen CERN près de Genève, les scientifiques ont piégé des atomes d'antihydrogène avec de puissants champs magnétiques. Ces atomes d'antihydrogène ont été obtenus en mélangeant des antiprotons, créés au CERN, avec des positrons provenant d'une source radioactive.

Les chercheurs ont ensuite libéré l'antihydrogène de sa cage magnétique, comptant combien d'atomes sont montés vers le haut par rapport à ceux qui sont tombés vers le bas. Si la gravité traite l'antimatière et la matière de la même manière, la plupart des atomes devraient tomber vers le bas, quelques-uns s'élevant en raison des mouvements initiaux des atomes. C'est exactement ce que les chercheurs ont trouvé.

"C'est un concept très agréable, très simple et très clair", déclare le physicien théoricien Yunhua Ding de l'université d'Ohio Wesleyan dans l'Ohio, qui n'a pas participé à l'étude.

Pour confirmer davantage que l'antihydrogène se comportait comme prévu, les chercheurs ont modifié les champs magnétiques pour pousser les atomes vers le haut, annulant ainsi l'effet de la gravité. Dans ce test, un nombre à peu près égal d'atomes est monté et est descendu. Lorsque les champs magnétiques ont été davantage modifiés, les résultats ont également correspondu aux attentes.

Des expériences précédentes avaient déjà suggéré que la gravité traite la matière et l'antimatière de la même manière. En 2022, l'expérience BASE, également au CERN, avait rapporté que les oscillations des antiprotons confinés confirmaient indirectement que la matière et l'antimatière ressentent la même attraction gravitationnelle. Mais l'expérience de l'ALPHA est la première à observer directement la chute des particules d'antimatière.

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L'idée selon laquelle différents types d'objets tombent avec la même accélération remonte bien avant Einstein. La légende raconte que au XVIe siècle, Galilée a laissé tomber différents objets depuis la tour de Pise pour démontrer cet effet. Depuis, les scientifiques l'ont testé dans diverses situations, même avec des objets en orbite autour de la Terre. Mais ils n'avaient jamais réalisé le test avec de l'antimatière jusqu'à présent.

Bien que les physiciens ne s'attendent pas à ce que l'antimatière tombe vers le haut, certains chercheurs ont proposé que l'antimatière puisse tomber avec une accélération légèrement différente de celle de la matière normale. "Si nous trouvons la moindre différence, cela pourrait indiquer qu'il se passe quelque chose de nouveau", explique Caravita, de l'Institut national de physique nucléaire de Trente, en Italie, qui est le porte-parole de la collaboration AEgIS au CERN. AEgIS fait partie d'un groupe d'expériences qui travaillent également à mesurer l'effet de la gravité sur l'antimatière.

L'expérience actuelle n'est pas assez précise pour détecter ces différences subtiles. Mais de nouvelles techniques, telles que le refroidissement des atomes d'antihydrogène avec des lasers, pourraient rendre les tests futurs plus précis. Cela pourrait aider les scientifiques à voir, en ce qui concerne la matière et l'antimatière, si la gravité est véritablement agnostique.

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