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Antimatière et Cosmologie quantique

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cern CERN capture de l’antimatière

NASA | Terrestrial Gamma-ray Flashes Create Antimatter


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 ; 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.

Paul-Dirac_4 L’antimatière a été imaginée quand Paul Dirac a écrit l’équation portant son nom.

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 anthropocentrisme  : 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 devraient être présentes en quantités égales.

La réaction matière-antimatière

Lorsque l’antimatière et la matière entrent en contact, elles 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 (~1 million de fois plus).

Cette réaction donne un sens imprévu au préfixe « anti », qui ne signifie 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-matière).

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.

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. 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).

Sakharov 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.

« 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.

Cette asymétrie peut expliquer que l’antimatière se soit retrouvée en infime minorité (~1 milliardième) face à la matière (999 999 999 particules d’antimatière pour 1 000 000 000 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.

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).

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 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 inconnue, il n’y a pas „mélange immédiat” de ces deux parties. Une minorité de chercheurs défendent un « mélange immédiat » au niveau de superamas juxtaposés.

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.

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.

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.

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 qui est menée au CERN (Organisation européenne pour la recherche nucléaire) doit tester l’effet de la gravité sur l’antimatière. 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 télescope 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 orages9.

Par ailleurs, une ceinture naturelle d’antiprotons a été mise en évidence autour de la Terre.

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’antimatièrenote 3, suffisante pour un voyage Terre-Mars, pour 250 millions de dollars « seulement ».

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 considérablement réduite par la non utilisation d’éléments radioactifs à longue période.

„Nous voulons donner un sens à ce que nous voyons autour de nous et poser les questions : Quelle est la nature de l’Univers ? Quelle est notre place dans l’Univers ? D’où venons-nous, lui et nous ? Cependant, si nous découvrons une théorie complète, elle devrait un jour être compréhensible dans ses grandes lignes par tout le monde, et non par une poignée de scientifiques. Alors, nous tous, philosophes, scientifiques, et même gens de la rue, serons capables de prendre part à la discussion sur la question de savoir pourquoi l’Univers et nous-mêmes, nous existons. Si nous trouvons la réponse à cette question, ce sera le triomphe ultime de la raison humaine – à ce moment, nous connaîtrons la pensée de Dieu.”

Stephen Hawking Stephen Hawking

 

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