1 : Antimatière vous avez dit Antimatière ? RichardTaillet Enseignant Chercheur Physique Le mot "antimatière" est entouré d'une certaine aura de mystère, et suscite bon nombre de questions aux curieux des sciences. Nous allons d'abord définir ce qu'est l'antimatière, présenter quelques-unes de ses propriétés importantes, puis nous intéresser aux processus qui lui donnent naissance. Nous insisterons sur le fait que l'existence de l'antimatière n'est plus à prouver, on en détecte, on en fabrique, on en stocke, on en utilise même, par exemple en imagerie médicale. Ensuite, nous présenterons les différentes observations par lesquelles on détecte de l'antimatière dans notre galaxie, en indiquant les processus qui sont responsables de sa création.
Puis nous verrons que l'antimatière joue un rôle important dans les discussions portant sur la cosmologie. Le ciel en rayons gamma (vu par EGRET). 2 : Qu'est-ce que l'antimatière ? RichardTaillet Enseignant Chercheur Physique La structure de la matière La matière qui nous entoure est constituée d'atomes et de molécules, eux-mêmes constitués d'électrons et de noyaux atomiques. Ces noyaux atomiques sont eux-mêmes constitués de protons et de neutrons (on les appelle des nucléons). On pourrait pousser un cran plus loin ce petit jeu de décomposition, car on sait maintenant que les nucléons sont constitués de quarks. Ceci n'est pas crucial dans ce qui va suivre, et on va décrire la matière en termes de nucléons et d'électrons, sans se soucier de la structure interne des nucléons.
Ce sont des particules chargées, et on attribue conventionnellement une charge négative à l'électron. Ces particules peuvent interagir entre elles. Au niveau théorique, les interactions ont d'abord été décrites par l'électromagnétisme classique, puis par des théories plus élaborées qui incorporent des éléments de physique quantique et de relativité restreinte. L'antimatière : rien de mystérieux. 3 : Création d'antimatière. RichardTaillet Enseignant Chercheur Physique Comment de l'antimatière peut-elle être produite ? Il y a principalement deux phénomènes physiques qui conduisent à la production d'antimatière : A - La radioactivité ß+ La radioactivité désigne l'ensemble des processus par lesquels un noyau atomique peut se transformer en un autre, en émettant des particules. . - radioactivité alpha : émission de deux neutrons et deux protons sous forme d'un noyau d'Hélium. - radioactivité gamma : émission d'un photon de haute énergie. - radioactivité ß- : émission d'un électron (et d'un antineutrino).
De l'antimatière (des positrons) est donc créée à chaque fois que les noyaux sensibles à la radioactivité ß+ se désintègrent. B - Les collisions de haute énergie Création d'une paire électron-positron par conversion de l'énergie d'un photon incident. Lorsqu'une particule subit un choc avec une autre particule, une partie de l'énergie du choc peut se convertir en masse, c'est un des contenus de la fameuse formule E=mc2. 4: Où peut-on trouver de l'antimatière sur Terre ? RichardTaillet Enseignant Chercheur Physique Ce qui nous entoure sur Terre est fait presque exclusivement de matière. Dit autrement, la quantité d'antimatière qu'on y trouve est extrêmement faible. On le sait car la coexistence des deux conduirait à des annihilations violentes que l'on détecterait.
On peut citer deux sources d'antimatière au niveau de la Terre : la radioactivité naturelle et les rayons cosmiques. Les rayons cosmiques L'espace autour de la Terre contient des particules chargées de haute énergie (jusqu'à 1020eV, la contribution la plus importante venant de ceux qui ont une énergie de quelques GeV, où 1 GeV vaut un milliard d'électron-volts, voir page précédente pour la définition), qui ont probablement été accélérées dans la Galaxie (par les ondes de choc créées lors des explosions de supernovae). Les rayons cosmiques peuvent créer des particules (dont de l'antimatière) quand ils arrivent dans l'atmosphère. La radioactivité naturelle. 5: L'antimatière dans notre Galaxie (1) RichardTaillet Enseignant Chercheur Physique Les processus qui conduisent à la présence d'antimatière sur Terre sont aussi à l'œuvre dans la Galaxie, et on en détecte effectivement dans l'espace.
Comment détecte-t-on l'antimatière ? A - Détecter l'antimatière Plusieurs méthodes sont utilisées : - Détection directe des antiparticules : on les laisse passer dans un dispositif qui enregistre leur trace et en déduit leur masse et leur charge. De plus, le détecteur AMS (image ci-dessus) serait capable de détecter des anti-atomes plus lourds s'il en existe en quantité suffisante au voisinage de la Terre. - Détection indirecte via la raie d'annihilation positron-électron : on peut citer le dernier en date, l'instrument SPI embarqué sur la mission satellite INTEGRAL (image ci-dessous) dont c'est un des points forts.
Alors, que détecte-t-on de cette manière ? B - Les antiprotons et les antinoyaux - Les rayons cosmiques Distribution de l'hydrogène dans notre Galaxie - Les anti-étoiles. 6: L'antimatière dans notre Galaxie (2) RichardTaillet Enseignant Chercheur Physique A - Les positrons Notre galaxie contient des positrons, qu'on observe de manière directe comme les antiprotons, mais aussi de manière indirecte, par la radiation qu'ils émettent en s'annihilant avec les électrons. En effet, cette radiation a une énergie bien déterminée (511 keV), ce qui la rend très caractéristique. On peut ainsi cartographier, dans le ciel, la quantité de positrons dans la galaxie. Les positrons ne peuvent pas voyager très loin de l'endroit où ils sont créés (d'une part car ils sont piégés par les champs magnétiques, et d'autre part car ils s'annihilent), et ce qu'on cartographie n'est pas très éloigné de la position des sources de positrons.
Le satellite CGRO, avec à son bord les modules OSSE, EGRET, BATSE et COMPTEL. Voici les cartes de l'intensité de cette radiation d'annihilation que l'on a observée. Carte de la distribution de radiation d'annihilation électron-positron dans la galaxie, prise par OSSE. 7: L'antimatière en cosmologie. RichardTaillet Enseignant Chercheur Physique Ce chapitre est un peu plus avancé que les précédents et s'adresse au lecteur désireux d'aller un peu plus loin... Nous avons dit plus haut que les réactions qui créent de l'antimatière créent en même temps de la matière. Comment comprendre alors que nous vivions dans un Univers apparemment constitué presque exclusivement de matière ? Pour apporter des éléments de réponse à cette question, il faut aller faire un tour du côté du Big-Bang.
A - Le modèle du Big-Bang en deux mots Un grand nombre d'observations astronomiques indiquent que nous vivons dans un Univers en expansion. C'est le modèle du Big-Bang. B- L'asymétrie matière-antimatière Un des problèmes soulevés par ce scénario est celui de l'asymétrie matière-antimatière.
Andrei Sakharov (1921-1989) Des reactions conservant le nombre baryonique ne peuventpas créer plus de matière qued'antimatiere. Des réactions violant la conservation du nombre baryonique le peuvent. 8: Matière noire, antiprotons et positrons. RichardTaillet Enseignant Chercheur Physique Nous allons maintenant aborder quelques points beaucoup plus spéculatifs, qui concernent des aspects importants de la cosmologie moderne, et dans lesquels l'antimatière a aussi son rôle à jouer.
A - La matière noire De nombreux indices semblent indiquer que l'Univers contient une grande quantité de matière qu'on ne détecte pas de façon directe. Nous inférons sa présence par l'effet gravitationnel qu'elle a sur son entourage, mais nous n'avons pas encore été capables de trouver une contrepartie visible. Les modèles actuels favorisent fortement l'hypothèse que cette matière noire soit majoritairement formée de nouvelles particules (on dit qu'elles sont non-baryoniques), décrites dans des extensions du modèle standard de la physique des particules, comme par exemple la supersymétrie ou les théories de grande unification que nous avons mentionnées plus haut.
B - Des antiprotons et positrons venant de la matière noire ? 9: Le moment de conclure.