L'anti-matière

La découverte de l'anti-matière

Après qu'Einstein ait démontré la relation entre l'espace et le temps, et l'énergie et la masse et après que Planck ait conçu la théorie quantique -la lumière se comporte comme une onde et comme des suites de "paquets" de particules- leurs concepts furent appliqués à l'atome, dans les années 1920, par Schrodinger et Heisenberg, ces derniers inventant la physique quantique. S'efforçant de réconcilier cette physique nouvelle avec la Théorie de la Relativité Restreinte -de façon à expliquer le comportement des particules aux vitesses relativistes- Le physicien théoriste britannique Paul Dirac, en 1928, posa une équation qui décrivait un électron se déplaçant presqu'à la vitesse de la lumière et il se rendit compte qu'il devait y avoir à la fois une solution positive et négative à son équation. Il interpréta plus tard cette bizarrerie mathématique comme laissant penser à l'existence d'un antiélectron, maintenant appelé un positron, et théorisa que des équivalents d'antimatière devaient exister pour toutes les particules. Toute particule, ainsi, supposait l'existence de son anti-particule, lui correspondant en tout, sauf pour sa charge électrique; lorsque les deux se rencontrent elles s'annihilent réciproquement dans une explosion d'énergie. A partir de 1930, des expériences commencèrent d'ête menées pour trouver ces particules étranges. L'expérimentateur Carl Anderson confirma l'existence du positron en 1932 en tant que résultat engendré par les rayons cosmiques entrant en collision avec les particules de la haute atmosphère terrestre, lorsqu'il découvrit une particule qui semblait être un électron sauf que lorsque la particule traversait un champ magnétique, sa trajectoire était déviée dans la direction opposée. Les physiciens rendirent vite compte que les positrons étaient régulièrement produits dans des collisions: il suffisait de faire entrer des particules avec assez d'énergie et une partie de cette énergie pouvait se transformer en couples matière-antimatière. Dans les années 1950, les chercheurs avaient commencé à exploiter cette conversion énergie-particule pour produire des antiprotons. Mais il fallut des décennies pour trouver le moyen d'en fabriquer suffisamment pour en capturer et les étudier. Créer des positrons est assez simple: ils sont produits dans certains types de désintégration radioactive et peuvent être facilement capturées avec des champs électriques et magnétiques. Mais l'antiproton, avec sa masse plus importante présente plus de défis: on peut en produire en faisant entrer en collision des protons avec un métal dense, mais ils émergent de telles collisions avec une vitesse trop élevée pour pouvoir être piégés de façon électromagnétique. Des scientifiques britannniques, en 2011, on découvert que l'électron est une sphère parfaire à 0.000000000000000000000000001cm. Cela a des implications en ce qui concerne l'anti-matière car on pensait que la forme des électrons étant inégale et que cela faisait que le positron se comportait différemment d'un électron. Les rayons cosmiques, à l'époque, en effet, représentaient le seul moyen d'étudier les particules hautement accélérées (les rayons cosmiques, qui viennent de l'espace interstellaire et qui sont porteur d'une forte énergie, occasionnellement, lorsqu'ils atteignent la haute atmosphère terrestre, peuvent y créer une particule d'anti-matière). En 1937, le physicien italien Ettore Majorana augmenta les théories de Dirac en pensant que les fermions peuvent être leurs propres anti-particules, hypothèse dite du "fermion de Majorana". La première confirmation expérimentale n'en est venue qu'à la mi-2017 (certains de ces fermions présentent un intérêt dans la recherche sur les ordinateurs quantiques)

Tout un monde d'anti-particules

Les recherches sur l'anti-matière s'accélérèrent dans les années 1940 -du fait, aussi, de l'invention des premiers accélérateurs de particules- et, finalement, en 1955, on trouva l'"anti-proton" (prix Nobel 1959) et, en 1960, l'anti-neutron. Ainsi, les trois composants principaux de l'atome -le proton, le neutron, l'électron- connaissaient donc, chacun, des anti-particules. La quête des physiciens, alors, s'orienta vers si ces anti-particules fondamentales pouvaient s'assembler et former des "anti-atomes". Et l'on trouva qu'ils le pouvaient! Cela se fit par étapes, cependant: en 1965 (au CERN à Genève, et au Brookhaven National Laboratory, près de New-York) on trouva l'"anti-deutéron", un noyau d'atome de deutérium. Etant un "anti-noyau", on avait là l'exact opposé du deutéron, c'est-à-dire un noyau qui était composé d'un anti-proton et d'un anti-neutron. Mais il a fallu attendre jusqu'à très récemment -en 1995 au CERN et en 1996 au Fermilab (Etats-Unis)- pour que les chercheurs puissent réussirent à lier un anti-électron (un positron) à un anti-proton, créant ainsi un anti-atome d'hydrogène (on réussit, dans un premier temps à n'en créer que 9, au CERN). Comme l'hydrogène repésente les deux-tiers de la composition de l'Univers, d'avoir trouvé l'anti-hydrogène représente une étape importante: lorsque les anti-particules rencontrent leurs particules, elles s'annihilent réciproquement, en dégageant de l'énergie. Lorsque, par ailleurs, un électron et un positron s'annihilent réciproquement, ils produisent des rayons gamma. On trouve également, enfin, des anti-particules qui résultent de la radio-activité naturelle de certains éléments: ainsi, l'atome de carbone 14, par la radio-activité, donne naissance à un proton, un électron et un "électron anti-neutrino"

La seule façon que l'on a actuellement de créer de l'anti-matière est d'utiliser des accélérateurs de particules. On ne sait pas encore conserver, de plus, l'anti-matière que l'on crée: on a pu, par exemple, conserver des antiprotons par le biais d'un champ magnétique qui confine ceux-ci dans le vide mais on ne sait pas conserver des particules plus importantes -des anti-atomes d'hydrogène par exemple. Des physiciens du CERN, cependant, en 2011, ont pu isoler 112 anti-atomes d'hydrogène pendant 16 minutes, la procédure étant considérée par eux maintenant comme une routine et ils s'apprêteraient à réaliser des expériences sur le matériau. Comme matière et anti-matière s'annihilent, le contenant qui sert à abriter l'anti-matière consiste généralement en champs magnétiques. Une question à laquelle on ne sait pas non plus répondre est celle de savoir si un agrégat d'anti-atomes pourrait être utilisé comme une nouvelle arme nucléaire, l'agrégat, en s'annihilant, détruisant tout autour de lui. Une telle illustration a été illustrée, en 2009, dans le film "Anges et démons", le deuxième épisode du "Da Vinci Code": le Vatican est menacé de destruction par une telle arme

L'anti-matière, aussi, se trouve être produite sur Terre, au-dessus des orages. De brefs augmentations d'énergie, qui sont produites par les orages, appelées "flashs de rayons gamma terrestres" (en anglais, "terrestrial gamma-ray flashes" (TGF)), associés aux éclairs produisent probablement des particules d'anti-matière car elles se comportent à l'instar d'accélérateurs de particules. Elles émettent ainsi ces flashs de rayons gamma ainsi que des électrons et positrons à haute énergie, lesquels, ensuite, suivent les lignes du champ magnétique terrestre. Les TGF trouvent probablement leur origine dans les forts champs électriques du haut des orages et, lorsque les conditions sont réunies, le champ devient suffisamment forts pour enclencher une avalanche vers le haut d'électrons. Ces électrons, finissant par atteindre quasiment la vitesse de la lumière, émettent des rayons gamma lorsque leur course est déviée par les molécules de l'air et c'est cela qui produit le TGF. Les électrons finissent par produire tellement de rayons gamma qu'ils éjectent un faisceau d'électrons et de positrons hors de l'atmosphère. Les deux particules viennent du fait que l'énergie des rayons gamma se change en ce couple de particules, un électron et son anti-particule, un positron. Le phénomène commence vers 15 km (9,3 miles) d'altitude et peut atteindre 600 km (373 miles)

L'anti-matière et l'astronomie

Bien que l'on ait pensé, pendant un temps, que l'anti-matière était équivalente, en quantité, dans l'Univers, à la matière -et donc, ainsi, qu'un anti-Univers existerait- on pense maintenant que l'Univers n'est fait essentiellement que de matière et qu'il n'y a pas d'anti-Univers. Tôt au cours du Big Bang, en effet, la matière finit par l'emporter sur l'anti-matière: pour chaque milliard de particules d'anti-matière, il finit par y avoir un milliard de particules de matière plus une particule! Et, comme, alors, la température chuta brutalement et ne permit plus que soient créés des couples de particules/anti-particules, tous les couples précédemment créés, s'annihilèrent les uns les autres, amenant à ce que seul l'ensemble des particules "plus une" subsistât, soit que seule la matière l'emporta. L'origine de ce déséquilibre fondamental entre la matière et l'antimatière dans l'Univers reste l'un des plus grands mystères de la physique. Toute différence de nature entre la matière et l'antimatière, d'une façon générale, signifierait la violation d'un principe appelé "symétrie de charge, de parité et d'inversion de temps" (en anglais "charge, parity and time reversal symmetry" ou CPT). Selon ce principe, un univers inversé rempli d'antimatière et dans lequel le temps s'écoulerait à l'envers aurait les mêmes lois de la physique que le nôtre. Malgré ces découvertes, des missions spatiales continuèrent cependant d'étudier si de possibles anti-particules ne venaient pas de certaines parties de l'Univers. Ainsi, une mission de la navette spatiale en 1998. Ou une expérience de la Station Spatiale Internationale, qui devait avoir lieu en 2004. L'expérience menée par la navette spatiale en 1998, sur 3 millions de noyaux d'atomes, n'a détecté aucune anti-particule lourde. Certaines sources, cependant, font état de ce que cet instrument-prototype avait recueilli suffisamment de données pour que les physiciens soient amenés à ré-analyser certaines de leurs théories car aucun des résultats obtenus ne purent être expliqués par les théories existantes. Les recherches, aussi, actuellement, ont essentiellement pour but de trouver, si cette variété existe, des restes d'anti-matière qui dateraient du Big Bang. Notre Univers présente, donc, une préférence pour la matière, à l'encontre de l'anti-matière. Techniquement, cela s'explique par le concept de "violation de "parité de charge"" (ou "violation CP"). Ce concept a été créé par le physicien soviétique Andrei Sakharov vers 1967. La violation CP est une assymétrie qui existe entre les particules et leurs anti-particules dans leur façon de subir des processus de radio-activité naturelle: la découverte expérimentale de la violation CP est donc également l'objet actuel des recherches en matière d'anti-matière. Quatre particules sub-atomiques préfèrent la matière à l'anti-matière, par ailleurs, ce qui constitue une autre raison pour le manque d'anti-matière dans l'Univers. Découvrir de l'anti-matière dans l'Univers permettrait aux scientfiques de dire combien de temps a duré l'épisode de l'inflation. Des recherches récentes s'orientent vers rechercher l'anti-matière dans les collisions entre amas de galaxies, dans les rayonnements rayons-X et rayons gamma émis. Dans le même ordre d'idées, l'anti-matière continuerait de mener à l'idée d'un anti-Univers et la matière noire pourrait être liée, qui constituerait des galaxies entières; elle émettrait des rayons cosmiques dans l'anti-matière, avec anti-électrons et anti-protons. Les premiers résultats d'une expérience sur l'anti-matière à l'ISS en 2013 a confirmé que le rapport de positrons aux électrons dans l'Univers change fonction de leur énergie mais on ne sait pas si cela est dû à des particules de matière noire qui entreraient en collision les unes avec les autres ou d'étoiles de la Galaxie dont les pulsations produiraient de l'anti-matière. De nouvelles études ont montré un excès de positrons à haute énergie, l'antiparticule de l'électron et des antiprotons de haute énergie pourraient être une signature unique de la matière noire