Annexe 9. L'antimatière

 

L’antimatière

 

1.La matière est faite de protons, de neutrons et d’électrons.

Il existe d’autres particules : neutrinos, photons, muons …

Ces particules de matière interagissent entre elles. Ces interactions sont décrites par la mécanique quantique des champs.

Pour résoudre des incohérences de cette théorie, Dirac est contraint d’introduire l’existence  (théorique, mathématique) d’une nouvelle particule : le positon. Elle est découverte en 1932.

On a ensuite découvert que toutes particules ont leur anti-particule (le photon étant le seule à être sa propre anti-particule).

Les mêmes lois s’appliquent à l’antimatière : un positon peut s’associer avec un anti-proton et un anti-neutron pour former un anti-atome d’hydrogène.

 Quand une particule interagit avec une anti-particule, elles disparaissent toutes les deux donnant naissance à deux photons (ou d’autres particules) qui partent dans des directions opposées.

 Un proton peut se désintégrer et donner un neutron, un positon et un neutrino (radioactivité b+). Et cela bien que le neutron soit plus lourd (possède plus d’énergie) que le proton. Il faut pour cela que le proton ne soit pas isolé. Dans le noyau, le proton peut bénéficier des énergies d’interaction, il possède en outre une énergie cinétique, de sorte que son énergie totale est supérieure à sa seule énergie de masse. Du coup le noyau est transformé et descend d’une case dans le tableau de Mendeleïev.

 

2. L’antimatière est partout. Une des sources principales est la radioactivité. Les rayons cosmiques sont des particules (protons) à haute énergie  qui, lorsqu’elles heurtent l’atmosphère, se désintègrent donnant naissance à des particules et des anti-particules : positons, antiprotons. Les éruptions solaires aussi peuvent produire des paires électron-positon.

 

3. L’antimatière est utilisée dans l’imagerie médicale, dans la Tomographie par émission de Positrons (PET scans). On ingère un traceur, des atomes radioactifs (enfermés dans des molécules de glucose qui ne peuvent aller que sur certains sites, grands consommateurs de glucose, qu’on veut explorer), capables d’émettre des positons. Ceux-ci se désintègrent à la rencontre d’électrons, émettant deux photons g qui traversent l’enveloppe corporelle et sont détectés par l’appareil. On peut ainsi localiser précisément la concentration du traceur en tel ou tel endroit de l’organe considéré. On étudie ainsi les activités du métabolisme des cellules

 

4. Les supernovae produisent des éléments radioactifs qui, en se désintégrant, produisent de l’antimatière. Les rayons cosmiques, accélérés par les ondes de choc, pouvant atteindre une énergie de 10 milliards de GeV, sont des protons dont la désintégration donne, entre autres, des positons, etc. Le centre de notre galaxie est rempli d’aluminium 26, radioactif dont la désintégration produit des positons, dont on peut voir la raie d’annihilation.

 Ci-dessus la carte de la distribution de radiations d’annihilation électron-positon au centre de notre galaxie, prise par INTEGRAL (en six mois de données). On ne comprend pas encore d’où viennent tous ces positons dans la mesure où la radioactivité de l’Al26 ne suffit pas, il s’en faut, à expliquer la quantité de positons (environ 10 milliards de tonnes par seconde s’annihilent) observée.

 5. Notre univers comporte plus de matière que d’antimatière. A l’origine, l’univers est trop chaud pour qu’il existe des atomes. A plus de 10 000°k les électrons sont séparés des noyaux. C’est un plasma, donc un milieu opaque. Quand l’univers se refroidit et atteint une température permettant aux atomes de se former, l’univers devient transparent, la lumière peut se propager. Le fond diffus cosmologique est la trace de ce moment.

Plus avant encore, les noyaux eux-mêmes ne peuvent se former. Et encore avant des paires de nucléons-antinucléons pouvaient se former.

L’univers primordial devait contenir un petit excès de matière (1 pour 1 milliard) qui a survécu à l’annihilation de la matière et de l’antimatière originelles.

Pour qu’il en soit ainsi, si on part d’un univers symétrique : autant de matière que d’antimatière), il faut remplir trois conditions (les conditions de Sakharov) : 1) la violation du nombre baryonique B (les réactions elles-mêmes doivent créer un excès de matière) ; 2) la violation des symétries C et CP (les réactions miroirs dont l’une produit un certain rapport entre quantité de matière et quantité de matière d’antimatière et l’autre le rapport inverse, ne doivent pas être symétriques) ; 3) l’équilibre thermodynamique doit être rompu.

Ces trois conditions sont en effet observées dans notre univers, mais à un niveau trop faible pour être opératoires (expliquer le 1 par 1 milliard).

Par exemple, en 1964, Cronin et Fitch découvrent que la particule méson K⁰ ne respecte pas la symétrie CP. Ce méson est composé d’un kaon neutre (lui même fait d’un quark u et d’un antiquark strange) et d’un antikaon (fait d’un antiquark d et d’un quark strange). L’antikaon k_s, de courte vie, se désintègre plus vite que le kaon en deux pions (+ et -). On observe deux états du K neutre qui se désintègrent avec des durées différentes : la kaon  k_s, de longue vie (600 fois plus longue) se désintègre généralement en trois pions (neutres) et rarement en deux. Même si ces exceptions sont peu fréquentes (0,2% environ), elle met en évidence une brisure de symétrie qui pourrait expliquer l’asymétrie matière/antimatière qui caractérise notre univers.

 On a observé avec Babar (un détecteur) une violation de symétrie similaire sur les mésons B⁰ et B⁺.

Remarques :

La symétrie C est une symétrie de charge qui a lieu lorsqu’une particule est transformée en son antiparticule avec, donc, conservation de la charge, le signe seulement étant changé. Autrement dit, la forme des équations décrivant les deux particules reste invariante. Ou encore : les prédictions probabilistes relatives aux résultats d’une expérience avec un système de particules doivent être les mêmes que celles relatives aux expériences réalisées avec un système de leurs antiparticules) Cette symétrie concerne les interactions gravitationnelle, électromagnétique et forte. L’interaction faible viole la symétrie C.

La symétrie CP  combine une symétrie de charge et une inversion des trois axes de coordonnées d’espace (Parité). Les résultats d’une expérience devraient être les mêmes lorsqu’on remplace les particules par leurs antiparticules et lorsqu’on inverse les trois axes. Elle est violée par l’interaction faible. La violation est impliquée par la présence de certains quarks dans les mésons, par exemple les quarks dits « beaux ». Cette violation est en outre démontrée, pour la première fois au CERN en 2025, pour les baryons, des hadrons composés de trois quarks.