Antimatière

L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière classique — celle dont est faite la Terre. Le préfixe « anti- » signifie que l'antimatière est « l'opposée » de la matière.

L'opposition 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 positrons), positifs. Ce qui n'empêche pas l'existence de particules d'antimatières de charge nulle (par exemple les antineutrons). Il existe pour chaque particule une antiparticule correspondante.

Pour une particule élémentaire de charge nulle, il est possible d'être sa propre antiparticule : c'est le cas du photon, du graviton s'il existe, et le cas du neutrino n'est pas tranché.

Autre caractéristique, une particule et son antiparticule peuvent s'annihiler mutuellement lorsqu'elles rentrent en contact : elles sont alors intégralement converties en énergie radiative (deux photons), suivant le total des masses en interaction, E=mc². Cette annihilation conduit donc à dire que la notion de masse est unitaire et, qu'en ce domaine, on ne peut pas différencier facilement la matière de l'antimatière.

L'antimatière a été imaginée quand Paul Dirac a écrit l'équation portant son nom^[1].

L'antimatière n'existe qu'en quantités infimes dans l'univers local, soit dans les rayons cosmiques, soit produite en laboratoire. En fait, le nom « antimatière » est donné par anthropomorphisme : nous appelons « matière » les particules qui nous constituent et « antimatière » les particules opposées. Les travaux sur l'antimatière consistent en grande partie à expliquer pourquoi cette rareté alors que nécessairement, selon la théorie du Big Bang, la matière et l'antimatière auraient été présentes en quantités égales.

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 la célèbre 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 (~10 milliards de fois plus).

Cette réaction donne un sens imprévu au préfixe « anti », qui ne signifiait pas « destructeur ».

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.

En aucun cas 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 interdisent clairement de « convertir » de la matière en antimatière pour ensuite les transformer en énergie avec un gain. Même si l'expérience BaBar suggère le contraire. (Des expériences ont réussi à transformer des kaons et des mésons B en anti-matières).

L'antimatière pourrait en revanche être théoriquement employée comme moyen de stockage d'énergie, mais pour l'instant l'énergie à employer pour créer de l'antimatière est égale à 10⁸ fois l'énergie récupérée^[2].

Cet aspect de l'antimatière a été particulièrement récupéré par la science-fiction, par exemple en soulignant que quelques grammes d'antimatière pourraient remplacer une arme nucléaire de forte puissance (~100 kT dans le roman Anges et démons), ou comme moyen de propulsion spatiale (dans Star Trek). Toutefois, si Star Trek se situe dans un futur lointain, Ange et démons peut laisser entendre qu'une telle arme pourrait être fabriquée aujourd'hui, ce qui n'est pas le cas en 2011^[2].

La symétrie CPT

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 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 annihilées. Notre existence montre qu’il reste pourtant encore de la matière. Il n’y a donc pas de symétrie complète^[3]. Cette asymétrie est révélée par une légère différence entre les interactions d’une particule de matière et d’une antiparticule. Cette dissymétrie est expliquée par la « brisure de symétrie CP » découverte en 1967 par Andreï Sakharov.

Andreï Sakharov a déterminé trois conditions suffisantes pour 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.

Seule la première condition serait remplie par la violation de la symétrie CP ... mais elle n'est pas encore suffisamment prouvée.

« 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^[4].

Cette asymétrie peut expliquer que l'antimatière se soit retrouvée en infime minorité (~1 milliardième) face à la matière (1 particules anti-matérielles contre 1 000 000 000 particules matérielles). 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.

De surcroît, plus on regarde loin, plus on voit dans le passé.

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).^{[réf. nécessaire]}

L'antimatière peut se trouver au-delà de cet « horizon » visible.

Par ailleurs, 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. Cependant, comme annoncé 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 inconnue, il n'y a pas "mélange immédiat" de ces deux parties.

Un anti-univers

Une hypothèse propose que l'antimatière ait été projetée, lors de la création 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^[5].

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^[6].

La science-fiction a largement traité le thème de l'univers inversé, surtout en échangeant les rôles des héros et des méchants. Elle s'est pour cela emparé du thème de l'anti-univers. Ainsi dans l'histoire décrite par DC Comics, il existe un univers d'antimatière dans lequel Lex Luthor défend le monde contre des criminels comme Ultraman, l'« anti-Superman »^[7].

L'antimatière en pratique

État de la recherche

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 positrons (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.

Une ceinture naturelle d'antiprotons a été mise en évidence autour de la Terre^[8].

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. D'ici à 2013, l'expérience Aegis^[9] qui est menée au CERN doit tester l'effet de la gravité sur l'antimatière^[10]. En effet il ne faut pas confondre "la masse" et "l'attraction universelle due aux masses" : ces deux notions sont totalement indépendantes et de valeurs numériques en tous points différentes.

Grâce au téléscope spatial Fermi, Michael Briggs, astrophysicien à l’université d’Alabama, a découvert que les éclairs accompagnant un orage produisaient des antiparticules (positrons). L’annihilation réciproque de ces positrons 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^[11].

Perspectives

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.

Seulement les quantités resteraient encore dérisoires et, vu le coût énergétique de la production, il est impensable de voir prochainement l'antimatière comme un moyen de stockage industriel de l'énergie.

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.

Selon le mot d'Arthur C. Clarke, « Lorsque nous sommes en orbite basse, nous sommes déjà énergétiquement à mi-chemin de tout autre point de la galaxie »

Les recherches de la NASA prédisent qu'il serait possible de disposer de 10 mg d'antimatière^[12], suffisante pour un voyage Terre-Mars, pour 250 millions de dollars « seulement »^[13].

Dans le domaine médical, 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 Electron Tomography) utilise d'ores et déjà les propriétés d'interaction positron-électron à des fins diagnostiques.

Dans le domaine militaire, la quantité d'antimatière ne permettrait pas, une fois encore, de faire des bombes, mais elle 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 insignifiantes.

Historique

• 1928 : prédiction théorique de l'antimatière par Dirac.
• 1932 : découverte du positron par Carl David Anderson.
• 1936 : étude à l'observatoire du Mont Palomar de la matière et l'antimatière dans les étoiles et les galaxies par Fritz Zwicky^[14].
• 1955 : Emilio Segrè et Owen Chamberlain de l'Université de Californie à Berkeley découvrent l'antiproton.
• 1956 : découverte de l'antineutron par Bruce Cork.
• 1965 : création du premier antinoyau avec un deutéron, noyau du deutérium dans le Proton Synchrotron du CERN^[15] et au Alternating Gradient Synchrotron du Laboratoire national de Brookhaven^[16].
• 1995 : création des premiers antiatomes d'antihydrogène dans un laboratoire du CERN à Genève.
• 2010 : création des premiers antihypernoyaux^[17].
• Le 18 novembre 2010, des chercheurs du CERN ont annoncé qu’ils ont réussi à piéger pour la première fois des atomes d’antihydrogène dans un champ magnétique^[18].
• 2011 : observation du plus lourd antinoyau : un antinoyau d'⁴He^[19]

Notes et références

Voir aussi

Bibliographie

• Maurice Duquesne, Matière et l'antimatière, 1960, PUF
• Robert L Forward et Joel Davis, Les Mystères de l'antimatière, 1982, Éditions du Rocher
• Gabriel Chardin, L'Antimatière : la matière qui remonte le temps, 2006 Éditions le Pommier

Articles connexes

• Antiparticule, équation de Majorana
• Violation de la symétrie CP
• Principe anthropique
• Interaction gravitationnelle de l'antimatière

Liens externes

• Pour la Science, dossier Les Symétries de la nature, n^o 20, juillet 1998 : Traite de l'asymétrie cosmique entre la matière et l'antimatière, Site de Pour la science
• Dossier Antimatière, futura-sciences.com
• L'antimatière selon Hubert Reeves (suite de 5 textes)
• Article simplifié

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