Interaction gravitationnelle de l'antimatière - Définition

Introduction

L'interaction gravitationnelle de l'antimatière avec la matière ou avec l'antimatière n'a pas été observée par les physiciens dans des conditions permettant d'en tirer des conclusions. Un consensus écrasant règne parmi les physiciens selon lequel l'antimatière attirerait aussi bien la matière que l'antimatière de la même façon que la matière attire la matière (et l'antimatière). Cependant, il existe aussi une volonté très affirmée d'en obtenir des preuves expérimentales, étant convenu qu'un consensus en sciences n'est rien d'autre qu'une hypothèse ouverte aux falsifications.

La rareté de l'antimatière et sa tendance à s'annihiler lorsqu'elle entre en contact avec la matière rendent son étude techniquement très exigeante. La plupart des méthodes permettant la création d'antimatière (spécifiquement de l'antihydrogène) produisent des atomes de haute énergie, impropres aux études sur la gravité. Ces dernières années, les consortium ATHENA (en) et ATRAP ont successivement créé de l'hydrogène de basse énergie, mais les observations ont jusqu'ici été limitées méthodiquement à des évènements d'annihilation qui n'ont produit que pas ou peu de données gravitationnelles.

Trois théories

Le théorème CPT affirme que l'antimatière devrait attirer l'antimatière de la même façon que la matière attire la matière. Cependant, il existe plusieurs théories sur la façon dont l'antimatière interagit avec la matière normale :

• La gravité normale : la théorie standard affirme que l'antimatière tombe exactement de la même façon que la matière normale.
• L'antigravité : les premières analyses théoriques se concentrèrent également sur le fait de savoir si l'antimatière était capable de la même magnitude de répulsion. Cela ne doit pas être confondu avec les nombreux autres phénomènes spéculatifs qui pourraient aussi être appelés 'antigravité'.

• Le gravivecteur (en) et le graviscalaire (en) : des difficultés ultérieures lors de la création de la gravité quantique ont menées à l'idée que l'antimatière pouvait réagir avec une magnitude légèrement différente.

Le débat sur la gravité de l'antimatière

Lorsqu'on a découvert l'antimatière, en 1932, les physiciens se sont interrogés sur sa façon de réagir à la gravité. Les analyses initiales se sont concentrées sur la question de savoir si la réaction de l'antimatière serait la même que celle de la matière, ou si elle serait opposée. Plusieurs argumentations théoriques ont été avancées qui ont convaincu les physiciens que l'antimatière devait réagir exactement de la même façon que la matière normale. Elles mettaient en avant qu'une répulsion gravitationnelle entre la matière et l'antimatière n'était guère plausible car elle violerait l'invariance CPT, la conservation de l'énergie, qu'elle aurait comme résultat une instabilité du vide et finalement sur une violation CP. Des arguments théoriques indiquaient qu'elle contredirait aussi avec résultats du test d'Eötvös sur le principe d'équivalence faible. Un certain nombre de ces objections théoriques initiales furent ultérieurement contournées.

Arguments de Morrison

En 1958, Philip Morrison soutint que l'antigravité violait le principe de conservation de l'énergie. Si la matière et l'antimatière répondaient de façon opposée à un champ gravitationnel, cela ne nécessiterait aucun apport énergétique pour modifier la hauteur d'une paire particule-antiparticule. Cependant, lors du mouvement à travers un potentiel gravitationnel, la fréquence et l'énergie de la lumière sont décalées. Morrison affirmait que l'énergie était créée par la création de matière et d'antimatière d'une certaine hauteur et ensuite à son annihilation d'une hauteur encore supérieure, puisque les photons utilisés pour la production nécessitent moins d'énergie que ceux nécessaires à l'annihilation. Cependant, on découvrit plus tard que l'antigravité ne violait cependant pas la deuxième loi de la thermodynamique.

Principe d'équivalence

Si l'on peut inventer une théorie dans laquelle la matière et l'antimatière se repoussent mutuellement, que peut-elle prédire pour ce qui n'est ni matière ni antimatière ? Les photons sont leurs propres antiparticules, et sous tous rapports se comportent exactement symétriquement vis-à-vis des particules de matière et d'antimatière. Dans un grand nombre de laboratoires et d'expériences astronomiques (par exemple, le décalage gravitationnel vers le rouge et l'effet de lentille gravitationnelle), on observe que des photons sont attirés par la matière en conformité exacte avec la théorie de la Relativité Générale. Il est possible de trouver des atomes et des noyaux ayant les mêmes contenus en particules élémentaires, mais dont les masses sont différentes. Par exemple, l'Hélium 4 pèse moins lourd que deux particules de Deutérium, du fait de différences de liaisons énergétiques. La constante de la force gravitationnelle observée demeure la même, jusqu'aux limites de la précision expérimentale, pour chacun des matériaux différents, ce qui suggère que l'"énergie de liaison", qui, comme le photon, n'opère pas de différence entre la matière et l'antimatière, ressentent les mêmes forces gravitationnelles que la matière. Ceci, à nouveau, est conforme avec la théorie de la Relativité Générale, et difficile à concilier avec la théorie voulant que la matière et l'antimatière se repoussent.

Argument de Schiff

Plus tard, en 1958, L. Shiff utilisa la théorie quantique des champs pour soutenir que l'antigravité ne serait pas compatible avec les résultats des expériences de Eötvös. Cependant, la technique de renormalisation utilisée pour l'analyse de Schiff fait l'objet de vives critiques, et son travail est considéré comme non concluant.

Arguments de Good

En 1961, Myron Good soutint que l'antigravité devait résulter de l'observation d'un nombre anormalement élévé de violations CP dans l'anomalie de régénération des kaons. A ce moment-là, la violation CP n'avait encore jamais été observée, Cependant, les arguments de Good sont critiqués car exprimés en termes de potentiels absolus. En reformulant l'argumentation en termes de potentiels relatifs, Gabriel Chardin a montré qu'il en résultait un nombre de régénérations de kaons accordé aux observations. Il soutient que l'antigravité est en fait une explication potentielle de la violation CP.