De l’énigme cosmique du Big Bang aux expéditions d’antimatière en camion sur les routes de Genève, le CERN a transformé ce qui relevait de la science-fiction en une réalité d’ingénierie. Retour sur trois décennies de recherches, où les physiciens européens ont apprivoisé la substance la plus insaisissable de l’Univers !
Imaginez un instant que vous possédiez un double parfait. Un jumeau aux traits rigoureusement identiques, mais dont la simple poignée de main déclencherait une explosion, vous vaporisant instantanément tous les deux. À l’échelle des lois fondamentales de la physique, ce jumeau porte un nom : l’antimatière ! Née en 1928 dans les équations mathématiques du physicien Paul Dirac, l’antimatière est le reflet inversé de notre réalité. Chaque particule qui nous compose, et qui compose l’Univers, possède son « antiparticule », dotée de la même masse, mais d’une charge électrique opposée.
Si l’idée fascine les auteurs de science-fiction, elle pose surtout à la cosmologie moderne son énigme la plus vertigineuse. Selon les modèles standards, le Big Bang, cette fournaise primordiale, aurait dû forger des quantités parfaitement égales de matière et d’antimatière. Dès lors, le cosmos aurait dû s’autodétruire instantanément : toute la matière et l’antimatière s’annihilant mutuellement dans un « flash » de pure énergie. Et pourtant, regardez autour de vous : nous sommes bien là ! Les étoiles brillent, les planètes tournent…
Comme tout ce qui compose l’Univers, nous sommes donc les survivants d’une anomalie cosmique ! D’une manière ou d’une autre, une infime fraction de la matière (un atome sur 1 voire sur 10 milliards) a mystérieusement survécu à ce grand carnage des origines, ayant eu lieu il y a des milliards d’années. Si l’humanité veut comprendre un jour cette « asymétrie baryonique », il n’y a qu’une solution : il faut traquer l’antimatière, l’isoler et l’interroger.
Le problème ? L’antimatière terrestre n’existe pas à l’état naturel. Il faut la fabriquer de toutes pièces. Et c’est ici, à la frontière franco-suisse, que l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (le CERN) s’est imposée comme l’épicentre mondial d’une recherche de pointe, qui fait honneur à notre continent, capable de relever ce défi titanesque…
© Maximilien Brice/CERN
1995 : la première capture en « plein vol »
Retournons à la fin du siècle dernier : les physiciens savent déjà produire des antiprotons (l’antiparticule du proton) en fracassant des faisceaux de protons à très haute énergie contre des cibles métalliques, mais pas encore de l’antimatière. C’est sur le point de changer !
Nous sommes en 1995, et dans le bourdonnement de la salle de contrôle de l’expérience PS210 du CERN, la tension est palpable. Une équipe de recherche tente une expérience inédite : faire passer un faisceau d’antiprotons à travers un jet de gaz xénon. L’interaction fulgurante avec les noyaux lourds du gaz génère soudain des paires d’électrons et de positrons. Dans la foulée, les antiprotons capturent ces positrons fraîchement créés.
Sur les moniteurs, l’exploit est confirmé. Neuf atomes d’antihydrogène viennent d’être synthétisés. Les premiers de l’histoire de l’humanité. Le monde scientifique est époustouflé !
« Personne n’oubliera jamais ces journées passionnantes de 1995. Chaque élément de l’installation expérimentale devait fonctionner : [on savait qu’] il n’y aurait pas de seconde chance. » se remémore Walter Oelert, physicien chargé de l’expérience.
Toutefois, cette grande victoire a un léger goût d’inachevé. Ces antiatomes se déplacent à 99 % de la vitesse de la lumière. En l’espace de 40 nanosecondes (40 milliardièmes de seconde), ils s’écrasent contre les parois des détecteurs et disparaissent. À une telle vélocité, toute étude approfondie est impossible. Il devient évident que pour étudier l’antimatière, on ne peut se contenter de la produire : il faut également… la freiner.
Le décélérateur d’antiprotons : l’usine à antimatière
L’an 2000 marque un second tournant avec l’inauguration du décélérateur d’antiprotons, affectueusement surnommé « l’usine à antimatière ». Cet anneau de 182 mètres de circonférence agit comme un frein géant. Il capte les antiprotons enfiévrés et abaisse leur énergie à 5,3 MeV, soit environ 10 % de la vitesse de la lumière. Pour empêcher le faisceau de se disperser, est utilisée une technique brillante : un faisceau d’électrons froids circule aux côtés des antiprotons pour absorber leur agitation thermique.
© CERN
Cependant, ces 5,3 MeV restent une énergie beaucoup trop élevée pour les pièges électromagnétiques des physiciens, qui exigent des énergies de l’ordre du kiloélectronvolt (keV). Pendant des années, pour mener à bien leurs expériences, ils ont dû insérer de simples feuilles de métal sur le chemin des particules afin de les ralentir davantage, sacrifiant tragiquement 99,9 % de l’antimatière dans l’opération…
Il faut attendre 2021 pour une nouvelle révolution avec l’intégration d’ELENA (Extra Low ENergy Antiproton ring). Ce petit synchrotron hexagonal de 30 mètres prend alors le relais, et abaisse l’énergie de l’antimatière jusqu’à 100 keV. Mieux encore : ELENA peut diviser son faisceau pour livrer de l’antimatière simultanément à quatre expériences différentes, 24h sur 24. Le rendement bondit d’un facteur 10 à 100. L’ère de la rareté est révolue au CERN !
Le grand frisson : réussir à piéger l’invisible
C’est fantastique, mais la vitesse de l’antimatière est loin d’être le seul problème à résoudre ! Comment retenir une substance qui se désintègre au moindre contact avec la matière de notre monde, si l’on veut l’étudier correctement ? Ou mener des expériences dessus ?
Pour rappel, les physiciens du CERN ont recours à de puissants cylindres électromagnétiques permettant de faire léviter les particules dans un vide absolu. Cependant, ces champs de force ne retiennent que les éléments possédant une charge électrique. Or, lorsque l’antiproton et le positron fusionnent pour former un antiatome complet, celui-ci devient électriquement neutre et s’évade instantanément. Que faire ?
Une première solution arrive en 2011 : l’équipe de l’expérience ALPHA stupéfie le monde en réussissant à maintenir l’antimatière captive pendant plus de 16 minutes. En effet, même s’il est neutre, l’antiatome possède ce qu’on appelle un « moment magnétique » (principalement dû au positron qui tourne). Les chercheurs européens décident d’exploiter ce phénomène en l’enfermant dans un champ magnétique en 3D, une sorte de « baignoire magnétique » dont les bords repoussent la particule vers le centre, avant de le refroidir près du zéro absolu pour lui ôter toute son énergie cinétique, l’empêchant (temporairement) de s’échapper.
Mais l’ingéniosité du CERN ne s’arrête pas là ! En 2021, les physiciens réussissent à freiner l’antimatière directement à l’aide de tirs laser ultra-précis. Puis, en 2025, ils franchissent une nouvelle étape en la plongeant dans un bain d’ions de béryllium préalablement surgelés (le « refroidissement sympathique »). Cette dernière astuce permet de décupler la production, stockant plus de 15 000 antiatomes en quelques heures. Résultat : l’antimatière est désormais glaciale, immobile, et prête à nous livrer ses secrets !
Newton avait-il raison ? L’antimatière et la gravité !
L’une des premières grandes questions que se posent les physiciens concerne la gravité. Est-ce que l’antimatière obéit vraiment aux lois physiques ? En effet, pendant longtemps, une théorie audacieuse a circulé parmi les experts du sujet : l’antimatière posséderait-elle une masse négative ? Tomberait-elle « vers le haut », créant une « antigravité » ?
Pour y répondre, l’équipe ALPHA décide donc d’ériger une déclinaison verticale de sa machine : ALPHA-g. En relâchant doucement l’emprise magnétique sur des centaines d’atomes d’antihydrogène, les chercheurs observent, au cours de l’automne 2023, que l’antimatière chute bien vers le bas, attirée par la gravité terrestre !
« En physique, on ne connaît pas vraiment une chose tant qu’on ne l’a pas observée. Il s’agit de la première expérience directe visant à observer un effet gravitationnel. C’est une étape importante dans l’étude de l’antimatière, qui continue de nous mystifier en raison de son absence apparente dans l’Univers. Cela nous a pris 30 ans pour apprendre à fabriquer cet anti-atome, à le conserver et à le contrôler suffisamment bien pour pouvoir le lâcher de manière à ce qu’il soit sensible à la force de gravité. » — Jeffrey Hangst, porte-parole d’ALPHA.
D’autres expériences comme AEgIS et GBAR affinent aujourd’hui ces mesures. AEgIS, par exemple, parvient en février 2024 à un autre exploit prodigieux : le refroidissement par laser du « positronium », un atome exotique ne vivant que quelques nanosecondes, ouvrant la voie à des « lasers à antimatière ». GBAR, quant à elle, s’attelle à fabriquer le tout premier ion positif d’antimatière pour le figer presque totalement avant de le lâcher en chute libre.
La nouvelle ère de l’antimatière « nomade »
Il y a quelques mois à peine, la longue liste des « premières mondiales » réalisées par le CERN s’est encore étoffée. Alors que le bruit électromagnétique des accélérateurs du site perturbe désormais les mesures ultra-précises des expériences, une solution jugée impensable a été apportée par les chercheurs européens : transporter l’antimatière !
Le 24 mars 2026, l’expérience BASE-STEP est ainsi entrée dans l’histoire en confinant 92 antiprotons dans un piège autonome d’une tonne, alimenté par batteries et refroidi à l’hélium liquide, avant de le charger dans un poids lourd. L’antimatière a pu voyager sur les routes du CERN sans subir la moindre annihilation. Une démonstration qui va bouleverser ce domaine de recherche : l’antimatière peut désormais être exportée vers d’autres laboratoires européens dépourvus de pollution magnétique. Extraordinaire !
« Ce projet pourrait conduire à la démocratisation de l’utilisation de l’antimatière. [En amenant l’antimatière] à des universités ou des laboratoires de physique nucléaire où des noyaux spécifiques peuvent être produits, comme les nouvelles installations SPIRAL2 à Caen, en France ! » — Alexandre Obertelli, physicien nucléaire français.
C’est d’ailleurs le but du projet PUMA, qui s’apprête à emporter des milliards d’antiprotons vers l’installation nucléaire ISOLDE appartenant au CERN. L’objectif ? S’en servir comme d’un scalpel subatomique pour sonder la peau des noyaux radioactifs, aidant ainsi les astrophysiciens à comprendre le cœur des étoiles à neutrons…
© CERN
En trente ans, grâce au travail acharné de scientifiques européens, l’antimatière est ainsi passée du statut d’anomalie furtive à celui d’outil de précision que l’humanité va maintenant pouvoir exploiter. Et si la raison pour laquelle notre monde existe (la fameuse « asymétrie baryonique ») nous échappe encore, une chose est certaine : c’est la science européenne qui a appris à dompter le côté obscur de la matière.
La machine dont le monde dépend est européenne !
