Antimatière

En physique des particules, l'antimatière est l'ensemble des antiparticules qui ont la même masse et le même spin, mais des charges, nombres baryoniques et nombres leptoniques opposés aux particules ordinaires.

L'antimatière n'existe qu'en quantités infimes dans l'univers local, soit dans les rayons cosmiques, soit produite en laboratoire. Les travaux sur l'antimatière consistent en grande partie à expliquer la rareté de l'antimatière par rapport à la matière. Selon la théorie du Big Bang, la matière et l'antimatière devraient avoir été présentes en quantités égales.

Principes et histoire

La différence entre matière et antimatière se fait au niveau des charges (dont la charge électrique) : les particules composant l'antimatière ont des charges opposées à celles des particules jouant le même rôle dans la matière. Par exemple, la matière comprend les protons, positifs, et les électrons, négatifs. L'antimatière comprend donc les antiprotons, négatifs, et les antiélectrons (ou positons[note 1]), positifs.

Pour une particule élémentaire de charge nulle, il est possible d'être sa propre antiparticule : c'est le cas du photon.

L'antimatière a été imaginée quand Paul Dirac a écrit l'équation portant son nom en 1928[1], et remarqué qu'elle s'appliquait encore pour des particules de charge opposée[2]. Il en déduit que pour chaque particule, il existe une antiparticule correspondante, ayant les mêmes caractéristiques, mais de charge opposée[3].

La première particule d'antimatière découverte est un antiélectron (ou positon), détectée par Carl David Anderson qui étudiait les traces des rayons cosmiques[4].

En 1936, Fritz Zwicky étudie à l'observatoire du Mont Palomar de la matière et l'antimatière dans les étoiles et les galaxies[5].

L'antiproton est découvert en 1955 par Emilio Segrè, l'antineutron en 1956 par Bruce Cork[6].

En 1965 a lieu la création du premier « antinoyau » avec un antideutéron, noyau de l'antideutérium, dans le Proton Synchrotron du CERN[7] et au Alternating Gradient Synchrotron (en) du Laboratoire national de Brookhaven[8].

En 1995 le premier atome d’antimatière est créé, l’antihydrogène, dans un laboratoire du CERN à Genève[9]

En 2010 sont créés les premiers antihypernoyaux[10].

Le , des chercheurs du CERN ont annoncé qu’ils ont réussi à piéger pour la première fois des atomes d’antihydrogène dans un champ magnétique[11].

EN 2011 est observé le plus lourd antinoyau : un noyau d'4He (antihélium-4)[12]

En 2019, on connaît les antiparticules des quarks étrange, bottom et charmé[4].

La réaction matière-antimatière

L'antimatière et la matière, quand elles entrent en contact, peuvent s'annihiler mutuellement. Elles sont alors transformées en énergie, suivant l'équation E=mc2. En fait, il s'agit de la seule situation connue dans laquelle la masse est intégralement convertie en énergie. Par comparaison, une réaction nucléaire classique ne dégage qu'une très petite partie de l'énergie "de masse" contenue dans les combustibles nucléaires utilisés (~1 millième), cette dernière dégageant pourtant bien plus d'énergie encore qu'une combustion (~1 million de fois plus).

Ce phénomène est réversible : de l'énergie peut être transformée en couple matière/antimatière. Mais il faut une concentration d'énergie énorme pour y parvenir[note 2].

Ce phénomène ne peut être utilisé comme source d'énergie puisque la seule antimatière dont on dispose est fabriquée en laboratoire précisément par cette réaction. Les lois de conservation des phénomènes physiques rendent impossible un gain d'énergie conséquent à la création puis la destruction d'antimatière.

L'antimatière pourrait en revanche être théoriquement employée comme moyen de stockage de l'énergie, mais pour l'instant l'énergie à employer pour créer de l'antimatière est égale à 108 fois l'énergie récupérée[13].

La symétrie CPT

C, P et T sont des opération de symétrie respectivement par inversion de la charge électrique, de la parité (c'est-à-dire des coordonnées dans l'espace à 3 dimensions) et du temps. On s'intéressera alors à considérer que l'évolution d'un système lui conserve ou non l'une, 2 ou ces 3 symétries.

Selon le modèle standard, la matière et l'antimatière devraient se trouver en quantités égales dans l'univers, ce qui n'est pas le cas. Avec l'amélioration des techniques d'observation, l'absence d'antimatière a été établie dans notre galaxie, puis dans les galaxies voisines, et enfin dans tout l'univers visible[14]. Une hypothèse avancée par les scientifiques est l’existence d’une asymétrie entre la matière et l’antimatière. Cette asymétrie serait à l’origine de l’absence apparente d’antimatière dans l’Univers. En effet, supposons que la matière et l’antimatière soient parfaitement symétriques, étant en quantités égales après le Big-bang, toute la matière et l’antimatière se seraient statistiquement annihilées. Notre existence montre qu’il reste pourtant encore de la matière. Il ne semble donc pas y avoir de symétrie complète[note 3]. Cette asymétrie est révélée par une légère différence entre les interactions d’une particule de matière et d’une antiparticule. Cette dissymétrie a été expliquée en 1965 par Andreï Sakharov à l’aide de la « brisure de symétrie CP » (découverte expérimentalement en 1964). Cependant, cette brisure fut longtemps contestée, et il semble que Sakharov n’était pas au courant de ces expériences lorsqu’il publia son modèle.[réf. nécessaire]

Sakharov a déterminé trois conditions pouvant expliquer le passage d'un univers constitué à égalité de matière et d'antimatière à un univers constitué exclusivement de matière :

  • qu'il y ait des différences entre les lois régissant l'évolution de la matière et celles de l'antimatière.
  • qu'il existe un processus violant la conservation du nombre baryonique.
  • qu'il y ait rupture de l'équilibre thermique.

La première violation de la symétrie charge parité (abrégée en symétrie CP) est constatée en 1964 sur les quarks étranges. En 2001, la violation de la symétrie CP est trouvée sur les quarks bottom, et en mars 2019 le LHC la détecte pour les quarks charmés[4].

« Victoire » de la matière par violation de CP

Les kaons neutres sont des particules qui se transforment spontanément en leurs propres antiparticules, et ceci dans les deux sens. Mais il existe une asymétrie dans cette transformation, y compris vis-à-vis de la symétrie CP : la transformation d'un kaon en antikaon est légèrement plus lente que l'inverse. Le nombre de kaons présents tend donc à être supérieur à celui d'antikaons à un instant donné[15].

Cette asymétrie peut expliquer que l'antimatière se soit retrouvée en très légère minorité (un milliardième de moins) face à la matière (1 000 000 000 particules d'antimatière pour 1 000 000 001 particules de matière classique). L'annihilation mutuelle a alors conduit à ne laisser que de la matière, en quantité infime par rapport à la quantité présente avant l'annihilation.

L'antimatière serait au-delà de notre champ de vision

Une toute petite partie de l'Univers serait visible parce que les plus grands télescopes possèdent une limite et que l'antimatière peut très bien se trouver au-delà de ce champ de vision.[pas clair]

De surcroît, plus on regarde loin, plus on voit dans le passé, la lumière prenant un certain temps à voyager. Or, l'Univers a environ 13,7 milliards d'années. Par conséquent, il n'est possible de voir que les objets dont la lumière aura voyagé pendant moins de 13,7 milliards d'années (ce qui situe la limite de l'univers observable à une distance spatiale, non pas de 13,7 milliards d'années-lumière, mais de 43 milliards d'années-lumière, à cause de l'expansion de l'Univers). L'antimatière peut se trouver au-delà de cet « horizon » visible.

On observe actuellement aux frontières de l'univers observable des éléments de la taille d'une galaxie, mais illuminant l'espace avec l'intensité de milliards de galaxies. Selon certaines hypothèses, ces objets célestes pourraient être des régions où matière et antimatière se rencontreraient et se concentreraient, sous l'attraction gravitationnelle, en une sorte de galaxie mixte où les rencontres entre matière et antimatière seraient très nombreuses, d'où leur forte luminosité.[réf. nécessaire]

Cependant, comme dit plus haut, le photon étant sa propre antiparticule, rien ne permet de distinguer facilement une lointaine galaxie (ou un amas) d'antimatière d'une galaxie (ou d'un amas) de matière. Enfin, on peut faire remarquer que, pour faire coexister dans un seul univers matière et antimatière, il suffit d'admettre que cet Univers est fortement structuré et que, pour une raison encore non établie, il n'y a pas "mélange immédiat" de ces deux parties.

Hypothèse antigravitaire
Expérience GBAR au CERN à l'"Antimater Factory"

Une hypothèse avancée[16] est cependant qu'il pourrait y avoir dissymétrie gravitationnelle entre particules et antiparticules au niveau de leur masse pesante (mais pas forcément de leur masse inerte), avec dans le cas extrême un phénomène d'antigravité pour ces dernières : diverses expériences au CERN (GBar[17], AlphaG[18], ou encore Aegis) visent d'ailleurs sur 2019-2021 à mesurer une telle éventuelle dissymétrie de l'antimatière.

Dans le cas extrême (modélisé par un Univers dit de Dirac-Milne promu par le physicien français Gabriel Chardin), la répulsion entre matière et anti-matière, et entre les particules d'anti-matière elles-mêmes, aurait conduit ces dernières non pas à se concentrer en astres comme pour la matière, mais au contraire à se diluer au maximum dans l'espace (un peu comme un gaz dans un ballon prend tout le volume disponible), à l'écart des zones de concentration de matière, dans les régions actuellement désignées comme vides spatiaux.

Ainsi dans cette hypothèse encore minoritaire, les antiparticules n'auraient aucunement mystérieusement disparu lors du Big-Bang, mais se retrouveraient simplement diluées dans ces régions au point d'être indétectables.

Un anti-univers

Une hypothèse propose que l'antimatière ait été projetée, lors de la formation de l'Univers, dans un univers « parallèle », composé alors uniquement d'antimatière (ou, du moins, où la matière serait aussi rare que l'antimatière dans le nôtre). Cet univers parallèle serait alors appelé « anti-univers ». L'hypothèse est assez minoritaire[19].

Elle ne doit pas être confondue avec l'hypothèse de Sakharov, pour qui il existe un univers constitué d'antimatière avant l'instant zéro, et de matière après[20].

Dans la pratique

Production naturelle d'antimatière

Grâce au télescope spatial Fermi, Michael Briggs, astrophysicien à l’université d’Alabama, a découvert que les éclairs accompagnant un orage produisaient des antiparticules (positons)[21]. L’annihilation réciproque de ces positons et des électrons correspondants (leurs antiparticules) se manifeste sous la forme de rayonnements gamma dont le pic à 511 keV est typique d’un tel phénomène. L’énergie due à cette rencontre entre matière et antimatière monte vers la haute atmosphère pendant ces orages[22].

Par ailleurs, une ceinture naturelle d'antiprotons a été mise en évidence autour de la Terre[23].

Production et conservation

La recherche sur la production et le stockage de l'antimatière s'améliore rapidement au cours du temps: ainsi aujourd'hui on est capable de créer de l'antimatière, en utilisant notamment les accélérateurs de particules. Les accélérateurs de particules, en projetant des particules l'une contre l'autre, entraînent la formation d'antiprotons et de positons (des antiélectrons). Il est désormais possible de les isoler des autres particules via une méthode complexe, puis de les piéger dans un champ magnétique sous vide.

Des chercheurs ont déjà stocké ainsi des millions d'antiparticules dans des réservoirs pendant une semaine. La difficulté du stockage semble a priori réglée, les temps de stockage s'améliorant rapidement, ainsi que le savoir-faire permettant de produire les quantités suffisantes requises par le besoin des expériences, (mais en aucun cas en tant que stockage d'énergie). Cependant, ces antiparticules étant à grande vitesse après leur création, il faut les ralentir très fortement pour obtenir des antiatomes faciles à étudier : ce processus n'est pas encore résolu. L'expérience Aegis[24], qui est menée au CERN, a pour but de tester l'effet de la gravité sur l'antimatière[25].

Perspectives
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Production

Avec une « usine à antimatière » utilisant les techniques actuelles, construite exclusivement afin d'en produire (contrairement aux accélérateurs de particules, dont ce n'est pas le but premier), la quantité d'antimatière produite pourrait augmenter considérablement.

Les quantités produites, accumulées pendant plusieurs mois ou années, pourraient peut-être contribuer aux voyages spatiaux. En effet, une énorme quantité de carburant n'est déterminante qu'au décollage, pour échapper à l'attraction terrestre; que l'on se rappelle par exemple le rapport de volume entre une capsule spatiale et la fusée qui l'envoie hors de l'atmosphère : l'essentiel du carburant est consacré à accélérer le carburant encore non consommé.

Dans le domaine spatial

Les recherches de la NASA prédisent qu'il serait possible de disposer de 10 mg d'antimatière[note 4], suffisante pour un voyage Terre-Mars, pour 250 millions de dollars « seulement »[26].

Dans le domaine militaire

Une bombe utilisant un gramme d'antimatière libérerait une énergie de 43 kilotonnes, soit trois fois la bombe d'Hiroshima. Cependant, le coût de production empêche en pratique l'utilisation d'une telle bombe[27].

L'antimatière pourrait servir de détonateur à une réaction de fusion thermonucléaire. Cela permettrait de se débarrasser du détonateur de la bombe H, qui est une bombe A (réaction de fission, très polluante, de matériaux lourds de type uranium ou plutonium).

Ainsi, les 5 kg de plutonium nécessaires à une réaction en chaine de fission ne seraient plus indispensables et seraient remplacés par quelques microgrammes d'antimatière. La taille des bombes H serait ainsi facilement réduite, ce qui permettrait leur utilisation dans les guerres conventionnelles. De plus, les retombées radioactives (sans la bombe A) seraient considérablement réduites par la non-utilisation d'éléments radioactifs à longue période.

En médecine

L'antimatière pourrait servir lors de certaines radiothérapies[28],[29],[30]. L'antimatière permettrait d'irradier quatre fois plus de cellules cancéreuses avec moins de séquelles sur les tissus sains, parfois abîmés par les rayonnements utilisés.

Le PET-Scan (Positron Emission Tomography) ou tomographie par émission de positons utilise d'ores et déjà les propriétés d'interaction positon-électron à des fins de diagnostic. On injecte du glucose contenant des noyaux radioactifs dans le corps de la personne qui subit le PET-Scan. La désintégration de ces noyaux radioactifs émet des positons, qui vont réagir avec les électrons présents dans le corps humain selon la réaction matière-antimatière. Cela produit des photons à une énergie particulière, permettant de les identifier. In fine, on peut savoir où se sont fixées les molécules de glucose dans le corps[4].

Dans la science-fiction

Plusieurs œuvres de science-fiction traitent de l'antimatière[14]. C'est notamment le cas d'Anges et Démons de Dan Brown, où le vol d'un gramme d'antimatière est une clé de l'intrigue, ou bien le mode de propulsion du vaisseau spatial Enterprise de Star Trek[6].

Notes et références

Notes
  1. positon ou positron en anglais
  2. Par l'équation E=mc2, l'énergie contenue dans 1 g de matière et 1 g d'antimatière est de l'ordre de 50 GWh.
  3. D'autres hypothèses avaient été quelque temps envisagées, comme celle qu'il reste un nombre important d'étoiles, voire de galaxies, entièrement composées d'antimatière, en raison des hétérogénéités de départ; elles n'ont cependant pas eu de suite.
  4. Une masse de 10 mg d'antimatière s'annihilant avec autant de matière représente une énergie de 1,8 TJ, soit l'équivalent de 430 tonnes de TNT, soit ~1/35e de la bombe d'Hiroshima (15 kt TNT équivalent = 6,276 1013 J = 62,76 TJ ; avec 1 t TNT = 4,184 GJ)

Références
  1. Futura-Sciences, « Antimatière », sur Futura-Sciences (consulté le )
  2. Erwan Cario, « L'antimatière Mais qu'est-il donc arrivé au Némésis de la matière? », sur Libération, (consulté le )
  3. « L'antimatière », sur Organisation européenne pour la recherche nucléaire (consulté le )
  4. Sébastien Gavois, « Première nuit de l'antimatière : retour sur ces énigmatiques particules », sur nextinpact.com, (consulté le ).
  5. Histoire de l'astronomie de Charles-Albert Reichen, 1964 (Le cercle du Bibliophile et ENI) coll. Erik Nitsche
  6. Patrick Nedelec, « Les secrets de l'antimatière », sur pourlascience.fr, (consulté le ).
  7. (en) Massam, T., et al., « Experimental observation of antideuteron production », Il Nuovo Cimento, vol. 39,‎ , p. 10–14
  8. (en) Dorfan, D. E., et al., « Observation of Antideuterons », Phys. Rev. Lett., vol. 14, no 24,‎ , p. 1003-1006 (DOI 10.1103/PhysRevLett.14.1003, lire en ligne)
  9. Paul Indelicato, « Des pommes, des poires et de l’antigravité? », sur lejournal.cnrs.fr, (consulté le ).
  10. (en) Collaboration STAR, « Observation of an Antimatter Hypernucleus », Science,‎ (lire en ligne)
  11. (en) « Scientists capture antimatter atoms in particle breakthrough », sur CNN.com, (consulté le )
  12. STAR Collaboration, « Observation of the antimatter helium-4 nucleus », Nature, vol. 473,‎ , p. 353–356 (ISSN 0028-0836 et 1476-4687, DOI 10.1038/nature10079, lire en ligne, consulté le )
  13. « CERN - À la une : Anges et démons », sur public.web.cern.ch (consulté le )
  14. ROMÀN IKONICOFF, « Antimatière : son absence reste un mystère », sur science-et-vie.com, (consulté le ).
  15. Gabriel Chardin, « L'antimatière », sur cosmosaf.iap.fr (consulté le )
  16. Yaroslav Pigenet, « Un Univers sans matière noire », sur lejournal.cnrs.fr, (consulté le )
  17. (en) « GBAR - The Gravitational Behaviour of Antihydrogen », sur home.cern/
  18. « Le Cern sur la piste de l'antigravité avec GBAR et Alpha-g », sur www.futura-sciences.com, (consulté le )
  19. « Science: An Anti-Matter Universe? », Time,‎ (ISSN 0040-781X, lire en ligne, consulté le )
  20. « sakharov », sur ysagnier.free.fr (consulté le )
  21. (en) « Signature of antimatter detected in lightning », sur Science News
  22. Science et Vie, janvier 2010, p. 12, Les éclairs créent de l’antimatière !
  23. « New Particle Found Among the Anti Matter Circling Earth's Magnetic Field », sur International Business Times TV (consulté le )
  24. Antimatter Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy.
  25. Antimatière : est-elle la clé de l'Univers ? Science et vie, octobre 2009, no 1105, p. 67.
  26. (en) « NASA - New and Improved Antimatter Spaceship for Mars Missions », sur www.nasa.gov (consulté le )
  27. « Science et guerre : 1 gramme d'antimatière = 3 Hiroshima », sur sicencesetavenir.fr, (consulté le ).
  28. (en) Paul Gilster, « A Practical Use for Antimatter », sur centauri-dreams.org, (consulté le ).
  29. (en) « Antiproton portable traps and medical applications » (version du 22 août 2011 sur l'Internet Archive)
  30. Julie Crédou, « L'antimatière contre le cancer », sur linternaute.com, (consulté le ).

Voir aussi

Bibliographie
  • Maurice Duquesne, Matière et antimatière, Paris, Presses universitaires de France, coll. « Que sais-je? » (no 767), , 6e éd., 125 p. (ISBN 978-2-13-037229-5, notice BnF no FRBNF34687402)
  • Robert L. Forward et Joel Davis (trad. Nicolas Prantzos), Les Mystères de l'antimatière [« Mirror matter »], Monaco, Le Rocher, coll. « L'esprit et la matière », (ISBN 978-2-268-01225-4, OCLC 26819301)
  • Gabriel Chardin, L'antimatière, la matière qui remonte le temps, Paris, Éditions Le Pommier, coll. « Poche » (no 6), (ISBN 978-2-7465-0288-8, notice BnF no FRBNF40183134)
  • Bernard PIRE et Jean-Marc RICHARD, Antimatière, Encyclopedia Universalis (lire en ligne)
  • (en) Gordon Fraser, Antimatter : The Ultimate Mirror, Cambridge University Press, , 224 p. (ISBN 978-0-521-89309-1, présentation en ligne)
  • Richard Schaeffer, « L’anti-matière» (pp. 103-115), In Marie-Odile Monchicourt (sous la direction de), Chaos et Cosmos, Paris, Éditions Le Mail, 1986, (ISBN 2-226-15564-3)

Articles connexes

Liens externes
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