Au Japon, des chercheurs ont observé pour la première fois un « atome » d'antimatière se comporter comme une onde, un exploit qui repousse les limites de l'étrangeté quantique. Cet objet exotique, appelé positronium, est composé d'un électron et de son homologue d'antimatière, un positron, liés ensemble avant de s'annihiler mutuellement. Désormais, les scientifiques l'ont surpris en train de produire un motif d'interférence, la signature caractéristique d'une onde.
Un atome bizarre qui se détruit lui-même
Le positronium n'est pas un atome ordinaire. Il se forme lorsqu'un électron et un positron orbitent autour d'un centre de masse commun, et n'existe que brièvement avant que les deux particules ne s'annihilent dans un éclair d'énergie. Comme les deux composants ont une masse identique, les physiciens se demandent depuis longtemps si un tel système pourrait produire les effets ondulatoires observés dans d'autres particules quantiques. Jusqu'à présent, personne ne l'avait directement observé.
Comment ils ont capté l'onde
Une équipe de l'Université des sciences de Tokyo, dirigée par le professeur Yasuyuki Nagashima, a construit un faisceau de positronium hautement contrôlé pour tester cela. Ils ont d'abord créé des ions de positronium chargés négativement, puis utilisé des impulsions laser précisément synchronisées pour produire un faisceau avec la bonne énergie et cohérence. Lorsqu'ils ont tiré ce faisceau à travers un réseau de diffraction, il a produit des bandes d'interférence claires, des régions alternées claires et sombres, prouvant que l'atome d'antimatière se comportait comme une onde, avec sa fonction d'onde quantique passant à travers plusieurs fentes à la fois.
Pourquoi cela compte localement et au-delà
Pour les chercheurs au Japon, cela a été l'aboutissement d'années de travail sur un système notoirement difficile à produire et à mesurer. Le positronium est éphémère et fragile, ce qui rend difficile sa formation en un faisceau suffisamment stable pour des expériences de diffraction. L'équipe a réussi là où d'autres avaient échoué, et leurs résultats ont été publiés dans Nature Communications. Cette réussite compte car elle confirme que la dualité onde-particule, un pilier de la mécanique quantique, s'applique même aux paires matière-antimatière. Mais la véritable excitation réside dans l'avenir : le positronium est neutre et insensible aux champs électriques, ce qui en fait un candidat idéal pour des expériences qui pourraient tester comment l'antimatière réagit à la gravité, quelque chose qui n'a jamais été directement mesuré.
Une porte s'ouvre vers les tests de gravité sur l'antimatière
Cette première observation d'interférence quantique dans le positronium ne répond pas aux grandes questions sur l'antimatière et la gravité, mais elle fournit l'outil pour commencer à les poser. En démontrant que des faisceaux de positronium peuvent produire des motifs d'onde clairs, l'équipe de Tokyo a montré que ces atomes exotiques peuvent être manipulés et mesurés avec suffisamment de précision pour de futures expériences. On ne sait toujours pas si l'antimatière tombe vers le haut ou vers le bas, mais il existe désormais un chemin pour le découvrir.
