Antimatière

Bonjour, aujourd’hui, nous allons parler de l’antimatière, mais qu’est ce que l’antimatière ?

Avant d’aller plus avant et de répondre à cette question très vague mais très intéressante, nous vous conseillons de lire les rubriques concernant le big bang, puis l’interaction faible, car elles sont une bonne entrée en matière en terme de compréhension et afin de situer l’analyse.

Dans la définition venant du modèle standard des particules (que nous voyons plus en détail dans le chapitre dédié à ce sujet), l’antimatière est l’ensemble des particules ayant la même masse, le même spin, masi des charges (nombres baryoniques et leptoniques) opposées aux particules « ordinaires ». Nous savons par exemple, que la matière est composée de protons, d’électrons, de la même manière, l’antimatière est composée d’antiprotons, et d’antiélectrons (positrons ou positons). Pour le cas des particules de charge nulle, il leur est possible d’être leur propre antiparticule, comme le photon par exemple.

Ce concept rend d’ailleurs très difficile la détection d’antimatière dans l’univers, car lorsque nous observons les astres, que voyons nous ? Nous voyons la lumière émise par ces derniers, dont le photon est le vecteur et duquel nous pouvons étudier le spectre d’émission, mais le photon étant sa propre antiparticule, qu’est ce qui nous permet de savoir si l’astre observé est fait de matière ou d’antimatière ? Rien.

l’antimatière a initialement été imaginée par Paul Dirac en 1928, à travers une équation qui porte son nom. Nous en parlerons à la fin de ce chapitre mais n’entrerons pas dans les détails mathématiques.

Comment sait on aujourd’hui qu’il en existe ? Car on peut en « observer » dans les rayons cosmiques, mais pas à travers l’analyse ondulatoire électromagnétique, comme nous l’avons dit plus haut, le spectre électromagnétique de l’antimatière est rigoureusement le même que celui de la matière. Nous l’avons observé dans des capteurs très sensibles (comme AMS par exemple, se trouvant sur l’ISS), en détectant des particules chargées, telles que des positrons ou des antiprotons. En effet, ces particules sont à priori difficilement distinguable de la matière ordinaire, si ce n’est leur charge, qui elle, est opposée à celle de la matière.

Que se passe t’il lorsque la matière et l’antimatière sont en contact l’une avec l’autre ? En général, elles s’annihilent et se transforment en énergie selon l’équation d’Einstein « E=Mc² ».  Cette équation est en réalité la seule situation connue pour laquelle la masse est entièrement convertie en énergie, nous reviendrons sur cela dans le chapitre sur la relativité restreinte. A l »inverse, à condition d’avoir un apport en énergie énorme, il est également possible de convertir l’énergie en masse (couple matière/antimatière). En revanche, ce phénomène ne peut pas être utilisé comme source d’énergie, car la seule antimatière que nous possédons est celle que nous arrivons à créer, et est précisément créée par une réaction très énergétique. A cause des différentes lois de conservation, la loi de conservation de l’énergie par exemple, un gain d’énergie conséquent est impossible à travers la création et destruction d’antimatière. Pour donner un ordre d’idée, l’énergie nécessaire pour créer de l’antimatière, est 10^8 supérieur à l’énergie récupérée.

Dans la théorie du big bang, l’univers à sa naissance, se composait d’autant de matière que d’antimatière, cependant, nous pouvons attester aujourd’hui que ce n’est plus cas, une hypothèse avancée par les scientifique serait l’existence d’une asymétrie, et qui expliquerait cette différence. Supposons qu’il y ait eu symétrie parfaite, toute la matière et antimatière se seraient alors annihilées, et la présence de matière aujourd’hui ne pourrait pas être expliquée,  il n’y a donc à priori, pas de symétrie complète. En 1965, Andrei Sakharov expliqua la dissymétrie par la « brisure de symétrie CP ». Nous expliquerons plus en détails ce qu’est la symétrie CP (ou symétrie charge parité) en fin de page. Sakharov réussit à déterminer trois conditions pour expliquer le passage du modèle d’un univers constitué à égalité de matière et d’antimatière, au model d’un univers constitué exclusivement (ou presque) de matière :

  • Que les lois régissant la matière et l’antimatière soient différentes, ou qu’ils en existent qui le soient.
  • Qu’il existe un procédé violant le nombre baryonique.
  • Qu’il y ait rupture de l’équilibre thermique.

 

Théories concernant l’absence d’antimatière dans l’univers :

  • Tout d’abord, prenons un exemple. Les kaons neutres sont des particules composées d’une paire de quarks/antiquarks résultant d’une superposition d’états. La superposition d’états est un sujet que nous aborderons en mécanique quantique, c’est un des principes fondamental qui définit cette dernière. Pour le moment, disons simplement que c’est comme si deux états d’un système étaient combinés et possédaient plusieurs valeurs pour une même quantité observable (position, spin, vitesse, etc…). Les kaons neutres se transforment spontanément en leur propre antiparticule, et ceci dans les deux sens. Cependant, il existe une asymétrie dans cette transformation. la transformation d’un kaon en antikaon est légèrement plus lente que l’inverse, ce qui fait que le nombre de kaons présents, tend à être plus élevés que le nombre d’antikaons à un moment donné. Pourquoi évoquons nous ce procédé ? Il pourrait expliquer la différence de quantité de matière et d’antimatière dans l’univers. L’annihilation mutuelle aurait conduit à ne laisser que de la matière, mais en quantité infime par rapport à la quantité présente avant l’annihilation.

 

 

  • Il existe une autre théorie concernant l’antimatière à l’échelle de l’univers. Nous pouvons observer, grâce à nos télescopes, jusqu’à des distances extrêmement éloignées, de l’ordre de 13.7 milliards d’années. Mais selon la théorie que nous allons voir, seulement une petite partie de l’univers serait visible, ainsi, l’antimatière pourrait très bien se trouver au delà de notre champ de vision. Comme vous le savez surement, plus nous regardons loin, et plus nous regardons dans le passé, car les photons mettent un certain temps à voyager, par conséquent, nous ne voyons que des objets dont la lumière aurait voyagé pendant 13.7 milliards d’années. A une distance spatiale, la limite de l’univers observable se situe donc, non pas à 13.7 milliards d’années, mais 43 milliards, à cause de l’expansion de l’univers, il est donc tout à fait possible, que l’antimatière se trouve au delà de cet horizon visible. On observe depuis peu, aux frontières de l’univers observable des objets étonnants. Il s’agit d’objets de la taille de galaxies, mais étant des milliards de fois plus lumineuses que ces dernières. D’après les spéculations et théories, ces objets pourraient être des régions de l’univers, ou matière et antimatière se trouveraient concentrées, sous l’attraction gravitationnelle, et en se heurtant, produiraient des énergies colossales, ce qui expliquerait la luminosité très intense émise par ces objets célestes.

 

  • Une autre hypothèse, celle ci n’étant cependant acceptée que par une minorité, est que l’antimatière ait été projeté, lors de la formation de l’univers, dans un univers parallèle. Cet univers en théorie, serait composé essentiellement d’antimatière et serait appelé « anti-univers ».

 

Recherches et perspectives concernant l’antimatière : 

Grâce à l’avancée perpétuelle des recherches sur l’antimatière, la production et le stockage de cette dernière sont devenus possible aujourd’hui grâce par exemple, aux accélérateurs de particules. En projetant des particules les unes sur les autres, cela entraînent la formation d’antiparticules, tels que les positrons (anti-électrons) et les antiprotons. A travers une méthode complexe et l’utilisation d’un champ magnétique, il est possible d’isoler ces antiparticules. Il reste cependant difficile de les ralentir, ces antiparticules ayant des vitesses très élevées découlant de l’énergie dégagée lors de  l’annihilation des particules à l’origine de leur création.

Autre fait intéressant, grâce au télescope Fermi, les scientifiques, en 2011, ont découvert que les éclairs accompagnant un orage produisaient des positrons, avec l’annihilation réciproque de ces positrons et des électrons correspondants, et produisent, via l’émission d’un rayonnement , des photons gamma dont le pic à 511KeV est typiquement représentatif d’un tel phénomène. L’énergie est ensuite propulsée vers la haute atmosphère.

Les perspectives concernant l’antimatière sont tout autant multiples que discutables. Dans le domaine spatial par exemple, son utilisation pourrait grandement amélioré l’efficacité des moyens de propulsion. Intuitivement, nous savons qu’au moment du décollage, l’utilisation d’une grande quantité de carburant est nécessaire à la fusée pour décoller et quitter l’attraction gravitationnelle terrestre. Au contraire, et compte tenu du rapport anticipé de la NASA, il est dit que 10mg d’antimatière serait suffisant pour un voyage Terre-Mars et un budget passant de plusieurs milliards de dollars, à « seulement » 250 millions.

En médecine, l’usage de l’antimatière est déjà d’actualité et est toujours en évolution. Le PET-Scan (Positron emission tomography), ou tomographie par émission de positrons. En injectant un élément radioactif au patient (Le fluor 18 par exemple), et grâce à la désintégration des atomes du produit émettant des positrons, une image précise est reconstituable.

Dans le domaine militaire, plus discutable, son utilisation ne permettrait pas de faire de bombes, mais pourrait servir de détonateur aux réactions thermonucléaires. Cela pourrait permettre de s’affranchir du détonateur de la bombe H, qui est une bombe A (bombe à fission nucléaire, très polluante, utilisant des matériaux lourds, tels quel l’uranium ou le plutonium.  Ainsi, grâce à quelques microgrammes d’antimatière remplacerait les 5kg de plutonium à la réaction en chaîne, de plus, les retombées radioactives seraient grandement diminuées, dues à l’arrêt de l’utilisation d’isotopes radioactifs ayant de longues demi-vies.

Voici un schéma de ce qui se passe dans les orages comme nous l’avons vu plus haut, et qui crée de l’antimatière :

 

Passons à la deuxième partie de ce chapitre sur l’antimatière. Pour suivre et comprendre ce dernier, il est conseillé d’avoir connaissance d’outils mathématiques et des bases en mécanique quantique.

Tout d’abord, rappelons un petit peu le contexte historique en 1928, lorsque pour la première fois, Paul Dirac émet l’hypothèse de l’existence de l’antimatière. La mécanique quantique est en plein essor, le monde de la physique connait une nouvelle étape extraordinaire lorsqu’Einstein remet en question les fondements de l’espace et du temps avec des postulats quelques années plus tôt. Lorsque Paul Dirac