La production d'un grand nombre d'atomes d'anti-hydrogène ces dernières années a renouvelé l'intérêt porté aux interactions de la matière avec l'antimatière. Que se produit-il, par exemple, quand un atome d'hydrogène rencontre un atome d'anti-hydrogène ? En particulier, peuvent-ils former une molécule ? La réponse à cette deuxième question est définitivement négative selon deux théoriciens allemands qui ont formulé la première expression analytique de la stabilité des molécules matière / antimatière.
Dima Gridnev et Carsten Greiner de l'Institut de Physique Théorique de Francfort ont considéré des systèmes contenant deux particules positives et deux particules négatives en interactions électriques ou électrostatiques. Avec un proton, un antiproton, un électron et un positron, par exemple, il est possible de former deux atomes stables: un hydrogène, qui contient un proton et un électron, et un anti-hydrogène, qui contient un antiproton et un positron. Cependant, Gridnev et de Greiner ont montré que ces deux atomes ne peuvent pas former une molécule parce qu'il n'y a aucun état moléculaire d'énergie inférieur à l'énergie combinée des atomes individuels.
Basée sur les idées du physicien autrichien Walter Thirring, l'étude de Gridnev et de Greiner prouve que les molécules peuvent seulement se former dans de tels systèmes si la valeur d'une certaine fonction des quatre masses est supérieure à une valeur particulière. L'étude montre ensuite que la molécule d'hydrogène / anti-hydrogène n'est pas stable, et que la substitution de l'atome d'hydrogène avec des isotopes plus lourds (deutérium et tritium) ne la rend pas stable non plus. Par ailleurs, d'autres systèmes exotiques, tels que muonium / anti-muonium
(1), sont également instables.
"La molécule d'hydrogène / anti-hydrogène est instable parce que le proton et l'antiproton sont trop proches l'un de l'autre et sont donc vus comme une combinaison neutre par les autres particules", explique Gridnev. Au lieu de cela, quand l'hydrogène et l'anti-hydrogène se rencontrent on obtient du protonium (un proton et un antiproton liés) et du positronium (un électron et un positron liés).
"Il y a deux conséquences", ajoute Gridnev. "D'abord, notre résultat est analytique, aussi aucun calcul numérique n'est nécessaire. Ensuite, il extrêmement simple à utiliser et à adapter à d'autres cas, il suffit juste de remplacer les masses des particules dans les équations et de contrôler si le système est stable ou non".
(1) Le muonium est une particule formée d'un muon positif et d'un électron. Elle est plus proche d'un atome d'hydrogène que le positronium.