Anti-particule

Antiparticule

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Mécanique quantique
 \hat H | \psi\rangle = i\hbar\frac{{\rm d}}{{\rm d}t}|\psi\rangle
Postulats de la mécanique quantique

Histoire de la mécanique quantique

A chaque type de particule correspond un type d'antiparticule. Ainsi, à l'électron est associé le positron, et aux quarks, les antiquarks. La première antiparticule observée, un antiélectron (positron) produit par les collisions des rayons cosmiques dans l'atmosphère, fut découverte en 1933 par Carl David Anderson. Actuellement (octobre 2007), nous ne connaissons pas d'atome d'antimatière à l'état naturel.

En physique atomique, il est apparu au début du XXe siècle que la description du comportement des particules passe par une équation qui ne fixe que le carré de certaines grandeurs. Cette équation a donc deux solutions : la solution « ordinaire », correspondant au comportement des particules connues, et une solution correspondant à des particules « théoriques », généralement non observées.

Paul Dirac a prédit que ces particules ont une existence réelle, observable dans les conditions extrêmes. Des expériences ont confirmé cette prédiction.

Une particule possède une charge électrique, un spin ou moment cinétique et d'autres nombres quantiques (notamment les nombres leptoniques et baryoniques). L'antiparticule correspondante a des nombres quantiques (charge, nombre leptonique et baryonique, saveur, isospin,...) opposés mais la même masse et le même spin.

Par exemple, l'électron a une masse de 9,1.10−31 kg (une énergie de masse E = m×c²), une charge électrique q = - 1,6.10−19 coulombs, un spin 1/2. L'antiélectron a la même masse et le même spin, mais une charge électrique opposée : q = + 1,6.10−19 coulombs.

Ainsi une particule et son antiparticule ont toujours une charge électrique opposée.

À chaque particule de matière, correspond une antiparticule d'antimatière, ayant des caractéristiques identiques mais une charge électrique opposée (et de même valeur absolue).

\begin{matrix}  
e^{-} & \Longleftrightarrow & e^{+} 
\\ {\acute electron} & {} & {positron}
\\ p & \Longleftrightarrow & \bar p
\\ {proton} & {} & {antiproton}
\\ {\gamma} & \Longleftrightarrow & {\gamma}
\end{matrix}

La rencontre d'une particule et de son antiparticule les annihile, émettant une quantité correspondante d'énergie suivant la formule bien connue E=mc². Cette énergie donne alors naissance à une paire de photon émis à 180 ° et de même énergie (dans le référentiel du centre de masse). L'énergie totale transportée par les photons sous forme d'impulsion correspond à l'énergie de masse initialement présente dans le système.

Et, inversement, la concentration d'une quantité suffisante d'énergie provoque la création d'un ou plusieurs couples particule-antiparticule.

En raison de leur charge électrique opposée, une particule et son antiparticule placées dans un même champ électromagnétique sont soumises à des forces opposées, ce qui peut servir à les isoler pour étudier les antiparticules. Cependant il est très difficile d'isoler parfaitement une antiparticule: Gabriel Chardin explique qu'il serait probablement impossible de peser un antiélectron.

Pour créer et observer des antiparticules, on emploie un accélérateur de particules, qui peut doter les particules d'une énergie telle que les collisions libèrent assez d'énergie pour créer des couples particule-antiparticule.

Sommaire

Collision d'une particule et de son antiparticule

Lorsqu'une particule de masse m rentre en contact avec son antiparticule correspondante, elles s'annihilent pour former une ou plusieurs particules quelconques, mais qui ont une énergie égale à celle initiale, et qui conserve un certain nombre de caractéristiques comme la charge électrique totale qui doit donc être nulle. En particulier, l'annihilation peut produire une particule et son antiparticule différentes de celles initiales.

Exemple : un proton et un antiproton s'annihilant, ont une énergie E = 2×1,6.10−27×c² = 0,23.10−9 joules; ils peuvent, par exemple, se transformer en une paire (électron, antiélectron) allant à la vitesse v = 0,98 × c, la majorité de l'énergie est alors sous forme d'énergie cinétique (vitesse).

Un photon isolé ne peut pas créer de couple particule/antiparticule à lui seul, car il ne pourrait y avoir conservation à la fois de l'énergie, de la charge et de la quantité de mouvement. Mais il peut créer des couples virtuels, dont il faut tenir compte quand on étudie le vide quantique.

Bien que des atomes d'anti-hydrogène aient été créés en nombre très limité en laboratoire depuis la fin du XXe siècle, leur période de vie est très courte et ils ne peuvent être conservés. Leur création nécessite d'immenses dispositifs (accélérateur de particules) et des quantités effroyables d'énergie, bien plus que n'en libère leur annihilation avec la matière, ce qui hypothèque pour longtemps encore de réelles avancées dans ce domaine.

Être sa propre antiparticule

Comme on l'a vu, une antiparticule a la charge opposée de celle de sa particule. Pour qu'une particule soit sa propre antiparticule, il faut donc tout d'abord qu'elle soit neutre.

Particules composées

Une particule composée peut être sa propre antiparticule si elle est composée de particules qui sont elles-mêmes leurs propres antiparticules, ou bien si elle est composée de particules élémentaires qui sont mutuellement leurs antiparticules. C'est le cas du pion π0.

En revanche le neutron ne peut pas être sa propre antiparticule bien qu'il soit neutre, car il est composé d'un quark up de charge +2/3 et de deux quarks down de charge -1/3. L'antineutron est composé des antiparticules de celles composant le neutron : un antiquark up de charge -2/3, et deux antiquarks down de charge +1/3. Il est donc distinct du neutron.

Particules élémentaires

Particules de Dirac et de Majorana

Dans l'équation de Dirac, une particule a quatre composantes : elles correspondent à la particule et à son antiparticule, avec deux orientations de spin possibles. Dans l'équation de Majorana, une particule n'a que deux composantes. L'antiparticule est une particule vue dans un miroir, l'inversion de spin correspondant au passage à l'antiparticule.

Regarder une particule dans un miroir inverse d'une part son spin, d'autre part son hélicité, c'est-à-dire la projection du spin sur sa vitesse. Or l'hélicité est changée quand on change de référentiel en se déplaçant plus vite que la particule. Cela n'est possible que pour une particule de masse non-nulle, car les particules de masse nulle se déplacent à la vitesse de la lumière dans le vide, qui n'est pas dépassable (un tel changement de référentiel n'aurait aucun sens)[1].

Les fermions sont classés suivant le fait qu'ils soient leur propre antiparticule ou non: on appelle particule de Dirac une particule qui diffère de l'antiparticule correspondante, particule de Majorana une particule qui est sa propre antiparticule. Toutes les particules pour lesquelles la question est tranchée sont des particules de Dirac. Le doute demeure sur le neutrino. Le neutrino a la particularité de n'avoir été observé qu'avec l'hélicité gauche, et l'antineutrino avec l'hélicité droite.

La distinction entre particules de Dirac et de Majorana n'a plus de sens pour des particules de spin nul. C'est pourquoi on parle en anglais de « fermions de Dirac » et « fermions de Majorana » plutôt que de particules.

Particule de masse nulle

Pour une particule de masse nulle, l'hélicité n'a qu'une seule orientation possible[2]. Dès lors, la distinction entre particules de Dirac et particules de Majorana n'est plus pertinente.

Le photon, l'hypothétique graviton et les gluons sont respectivement leurs propres antiparticules.

Symétrie CPT

Article détaillé : Symétrie CPT.
Article détaillé : Symétrie CP.

Notes et références

Voir aussi

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