Interaction gravitationnelle de l'antimatière

De nombreux scientifiques considèrent que la meilleure preuve expérimentale en faveur de la gravité normale provient de l'observation des neutrinos de la supernova SN 1987A. Dans cette expérience historique, trois détecteurs de neutrinos dispersés sur la planète ont observé simultanément la cascade de neutrinos émanant d'une supernova dans le Grand Nuage de Magellan. Bien qu'elle se soit produite approximativement à 164 000 années-lumière de distance, on a détecté pratiquement simultanément aussi bien des neutrinos que des antineutrinos. Si ces deux variétés ont été observées, alors, la différence d'interaction gravitationnelle doit avoir été très petite. Cependant, les détecteurs de neutrinos ne peuvent établir parfaitement la distinction entre neutrinos et antineutrinos. Certains physiciens estiment prudemment qu'il y a moins de 10 % des chances que l'observation n'ait comporté aucun neutrino normal du tout. D'autres estiment que cette probabilité est inférieure, pour certains jusqu'à 1 % seulement[2]. Malheureusement, l'amélioration de cette précision a peu de vraisemblance de se réaliser dans un avenir proche. Le rémanent de supernova SNR G1.9+0.3, dernière supernova connue qui se soit manifestée à une proximité comparable s'est produite en 1867[3].

Le physicien William Faibank (en) a tenté une expérience de laboratoire pour mesurer directement l'accélération gravitationnelle aussi bien des électrons que des positrons. Cependant, le rapport de leur charge sur leur masse est tellement grand que les effets électromagnétiques écrasent l'expérimentation.

L'observation directe des forces gravitationnelles au niveau d'une particule est difficile. À ces petites distances, les forces électriques tendent à écraser les interactions gravitationnelles beaucoup plus faibles. De plus, les antiparticules doivent être conservées à l'écart de leur contrepartie normale, pour éviter leur annihilation rapide. Pire encore, les méthodes de production de l'antimatière donnent typiquement des résultats de très haute énergie impropres aux observations. On peut comprendre que tout ceci rend difficile la mesure directe de la réaction gravitationnelle sur l'antimatière.

Ces dernières années, la production d'antihydrogène froid est devenue possible sur les expériences ATHENA et ATRAP du CERN. L'antihydrogène, électriquement neutre, peut rendre possible la mesure directe de l'attraction gravitationnelle des particules d'antimatière à la matière de la Terre.

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[5]. Cependant, on découvrit plus tard que l'antigravité ne violait cependant pas la deuxième loi de la thermodynamique[6].

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, peut-être même en passant par le boson de Higgs, la liste des particules « neutres » s'allongera probablement. Sous tous rapports, ces particules se comportent exactement symétriquement vis-à-vis de notre matière et de l'antimatière. Par ailleurs, dans un grand nombre de laboratoires et d'expériences astronomiques (par exemple, le décalage gravitationnel vers le rouge ou l'effet de lentille gravitationnelle), on observe que les photons sont attirés par la matière en conformité exacte avec la théorie de la relativité générale. Par contre, 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 des différences de liaisons énergétiques ; mais, jusqu'aux limites de la précision expérimentale actuelle, la valeur de la force d'attraction gravitationnelle observée demeure la même pour chacun de ces deux matériaux, ce qui suggère que l'énergie de liaison, qui, comme le photon, n'opère pas de différence entre la matière et l'antimatière (mais qui existe bel et bien), ressent en ce cas les mêmes forces gravitationnelles que notre « matière ». Cela prouve donc, une fois de plus, qu'il ne faut pas confondre « une masse » et l'attraction de masse dont nous ne connaissons pas encore la véritable origine, (les formules en sont simplement analogues, tout comme celle de l'électrostatique). Ajouté à la formule E=mc², qui ne précise pas non plus la nature de la « matière » concernée, cette mesure est conforme à la théorie de la relativité générale, mais… ne prouve rien quant au comportement de la matière vis-à-vis de l'antimatière !

Note

La conception de la gravitation en relativité générale montre pourtant que toute masse « attire » tout mobile par la courbure quelle produit, quelle que soit la nature du mobile. De plus, cette courbure dépend uniquement du signe de la masse : attractive pour les masses positives, répulsives pour les masses négatives. Or l'antimatière est de masse positive comme la matière et devrait réagir (et produire) de manière identique à la gravitation. C'est également la prédiction que Jean-Pierre Petit a formulé dans un article paru en 2018 : « En outre le modèle Janus prédit que l'antimatière qui sera créée en laboratoire, dans l'expérience Gbar[7], se comportera comme la matière ordinaire dans le champ gravitationnel terrestre[8]. ». Cependant, le modèle utilisé a été invalidé en janvier 2019 par le physicien Thibault Damour[9].

Plus tard, en 1958, L. Schiff utilisa la théorie quantique des champs pour soutenir que l'antigravité ne serait pas compatible avec les résultats des expériences de Eötvös[10]. 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[4].

En 1961, Myron Good soutint que l'antigravité devait résulter de l'observation d'un nombre anormalement élevé de violations CP dans l'anomalie de régénération des kaons[11]. À 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[12]. Il soutient que l'antigravité est en fait une explication potentielle de la violation CP.