Antimatiere

Antimatière

L'antimatière est l'ensemble des particules antimatérielles. Le préfixe « anti- » signifie que l'antimatière est « l'opposée » de la matière. Sa caractéristique principale (et la plus médiatisée) est sa capacité d'annihilation avec la matière, opposée. Annihilation dégageant sous forme de photons l'énergie contenue dans les particules concernées avec la célèbre formule E=mc².

La matière et l' antimatière jouant des rôles symétriques dans l'Univers, que l'une soit appelée matière et l'autre antimatière n'est qu'une question d'anthropomorphisme : nous appelons matière les particules qui nous constituent et antimatière les particules opposées. L'antimatière a été imaginée quand Paul Dirac a écrit l'équation portant son nom[1].

Il existe pour chaque particule une antiparticule correspondante : proton/antiproton ; électron/antiélectron (appelé aussi positon ou positron) ; neutron/antineutron ; etc... Une autre caractéristique remarquable des antiparticules est d'avoir une charge électrique opposée à leur particule matérielle correspondante. (négative pour l'antiproton, positive pour l'antiélectron)

La dénomination d'antiparticule est plus globale que celle d'antimatière. Les particules non-matérielles possédant elles aussi des antiparticules. Par exemple, le photon est sa propre antiparticule. (le photon ne possédant pas de masse n'est pas une particule matérielle). L'annihilation entre deux photons donne naissance à deux particules matérielle et antimatérielle. On suppose que lors des premiers instants de l'Univers, à l'époque du Big Bang, la matière et l'antimatière étaient présentes en quantités égales, s'annihilant et se reformant ainsi en permanence à partir du rayonnement.

Or l'Univers que nous pouvons observer est formé presque exclusivement de matière. Les antiparticules ne sont présentes que de manière infinitésimale dans les rayons cosmiques (dont l'observation a permis de vérifier les prédictions de Dirac[2]). Des quantités tout aussi infinitésimales d'antimatière ont été créées dans des laboratoires. Cette absence de l'antimatière dans les observations de l'Univers a donné naissance à de nombreuses théories cherchant à expliquer cet état de fait.

Sommaire

La réaction matière-antimatière

Le préfixe tient compte du fait que la matière et l'antimatière s'annihilent mutuellement. Cette annihilation dégage une quantité phénoménale d'énergie comparée à celles issues d'autres types de réactifs (chimiques, nucléaires ...) de masse de réactifs identiques.
En effet, si une particule de matière entre en contact avec la particule d'antimatière correspondante, les deux particules sont annihilées, ou si l'on préfère converties en énergie, suivant la formule E=mc². De même, il est possible de former une antiparticule en même temps que la particule équivalente en fournissant la même quantité d'énergie.
Il s'agit de la seule réaction qui transforme l'intégralité de la masse en énergie.
Par comparaison, une réaction nucléaire ne dégage qu'une très petite partie de l'énergie contenue dans les masses de combustibles nucléaires utilisées (~1 millième), cette dernière dégageant pourtant bien plus d'énergie encore qu'une combustion (~1/10e de milliardième).

  • L'antimatière pourrait en théorie être employée comme moyen de stockage d'énergie, mais pour l'instant l'énergie à employer pour créer un antiproton est égale à 108 fois l'énergie récupérée.[réf. nécessaire]
    Mais en aucun cas on ne pourrait s'en servir comme source d'énergie, car il n'y a pas de gisements d'antimatière, contrairement au pétrole et à l'uranium, pas plus qu'elle n'est disponible comme une énergie renouvelable.
    Cet aspect de l'antimatière a été particulièrement médiatisé, par exemple en soulignant que quelques grammes d'antimatière pourraient remplacer une arme nucléaire de forte puissance (ici ~100 kT), ou comme moyen de propulsion spatiale. Ces deux aspects ont été bien plus médiatisés par la science-fiction que par la vulgarisation scientifique (en particulier Star Trek et Anges et démons). Du point de vue de la physique, l'utilisation est correcte, mais imaginer qu'on pourrait avec les technologies actuelles en fabriquer est tout à fait farfelu[3].
  • Beaucoup de technologies de science-fiction[réf. souhaitée] présentent une production de l'antimatière à un coût énergétique moindre que le gain produit par la réaction Antimatière/Matière résultante. Si l'on produisait de l'antimatière directement à partir de la matière, cela ne violerait pas la « loi » de conservation de l'énergie, contrairement à ce que l'on pourrait penser au premier abord. Cela permettrait d'avoir accès à toute l'énergie « potentielle » comprise dans la masse.
    Cela ne violerait pas non plus la conservation de la charge : en effet, bien que cette « loi » ne doive pas seulement être respectée par l'ensemble des particules, mais par chacune des particules ; un traitement spécial[4] pourrait permuter les charges des particules vers les antiparticules correspondantes dans l'ensemble de la masse. Autrement dit un neutron pourrait se transformer en antineutron, la charge 2/3e du quark u passant sur les quarks d (devenant des antiquarks), et inversement avec les charges -1/3e des 2 quarks d qui passeraient sur le quark u (devenant un antiquark). Et de même pour les charges portées respectivement par les électrons et les protons ; qui deviendraient des positrons et des antiprotons.
    Il devrait avoir sur le même modèle, l'inversion des charges dites « de couleur » des quarks, dans les hadrons ; ainsi que d'autres types de charges.
    En fait, tous les nombres quantiques des différentes charges, excepté la masse. Il semble néanmoins qu'un type de charge ne puisse pas être conservée lors de cette hypothétique transformation : la charge baryonique et leptonique. En effet, les nucléons (protons et neutrons) ont un nombre baryonique de 1, les électrons un nombre leptonique de 1 ; alors que leurs antiparticules respectives ont des nombres baryoniques et leptoniques opposés. Il est à noter que cette conservation ne serait pas « fondamentale » (voir théorie de grande unification) et expliquerait l'asymétrie matière/antimatière.

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. Or notre existence montre qu’il existe 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 est expliquée par la « brisure de symétrie CP » découverte en 1967 par Andreï Sakharov.

Andreï Sakharov a déterminé trois conditions suffisantes pour 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.

La première condition est remplie par la violation de la symétrie CP.

« 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[5].

Cette asymétrie peut expliquer que l'antimatière se soit retrouvée en infime minorité (~1 milliardième) face à la matière (1 000 000 000 particules anti-matérielles contre 1 000 000 001 particules matérielles). L'annihilation mutuelle à 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

Article détaillé : Horizon cosmologique.

Nous ne voyons en effet qu'une toute petite partie de l'Univers parce que les plus grands télescopes possèdent une limite et que l'antimatière peut très bien se trouver au-delà de notre 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 ne nous 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).[réf. nécessaire]

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 incroyable luminosité.

Un anti-univers

L'antimatière pourrait aussi avoir été projetée, lors de la création de l'Univers, dans un univers « parallèle », composé alors uniquement d'antimatière. Cet univers parallèle serait alors appelé « anti-univers ».

L'antimatière en pratique

État de la recherche

La recherche sur la production et le stockage de l'antimatière s'améliorent 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, entrainent 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, le temps de stockage s'améliorant de plus en plus ainsi que la capacité.

Perspectives

Avec une « usine à antimatière » utilisant les technologies 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.

Cependant les quantités produites, accumulées pendant plusieurs mois ou années permettraient de disposer de suffisamment d'antimatière pour faire des voyages spatiaux. En effet le poids du carburant est déterminant dans le domaine spatial car il alourdit le vaisseau au départ, ce qui tend à augmenter encore la quantité de carburant, qui ne servira quasiment plus qu'à accélérer le carburant utilisé ultérieurement !

Les recherches de la NASA prédisent qu'il serait possible de disposer de 10 mg d'antimatière[6], suffisant pour un voyage Terre-Mars, pour 250 millions de dollars « seulement »[7].

Dans le domaine médical, l'antimatière permettrait d'irradier quatre fois plus de cellules cancéreuses avec moins de séquelles sur les tissus sains, parfois abimés actuellement par les rayonnements utilisés. Le PET-Scan (Positron Electron Tomography) utilise d'ores et déjà les propriétés d'interaction positron-électron dans un but diagnostique.

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 de matériaux lourds de type uranium).
Ainsi, les 5 kg de plutonium nécessaires à une réaction en chaine de fission ne seraient plus indispensables et seraient remplacés par quelques µg 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 insignifiantes.

Historique

Notes et références

  1. L'antimatière a été prédite en 1931 par Paul Dirac
  2. Présentation de l'institut de recherche en rayons cosmiques de Tokyo ((ja)+(en)Welcome to the Institute for Cosmic Ray Research (これからの宇宙線研究を考える上での2 つの大きな柱))
  3. Microsoft PowerPoint - nepal-antimatiere-ct.ppt
  4. Phénomène totalement hypothétique, restant précisément, du domaine de la science-fiction !
  5. Microsoft PowerPoint - 040921 Antimatière SAF
  6. Une masse de 10 mg d'antimatière représente une énergie équivalente à 300 t de TNT ; soit 1/50e de la bombe d'Hiroshima.
  7. NASA's Plans to Explore the Moon, Mars and Beyond
  8. Histoire de l'Astronomie de Charles-Albert Reichen, 1964 (Le cercle du Bibliophile et ENI) coll. Erik Nitsche
  9. (en) Massam, T., et al., « Experimental observation of antideuteron production », dans Il Nuovo Cimento, vol. 39, 1965, p. 10–14 
  10. (en) Dorfan, D. E., et al., « Observation of Antideuterons », dans Phys. Rev. Lett., vol. 14, no 24, juin 1965, p. 1003-1006 [texte intégral lien DOI] 

Voir aussi

Articles connexes

Liens et documents externes

Bibliographie

  • Maurice Duquesne -"Matière et l'Antimatière", 1960 (PUF)
  • Robert L Forward & Joel Davis -"Les mystères de l'antimatière", 1982, (Editions du Rocher)
  • Gabriel Chardin - "L'Antimatière : La matière qui remonte le temps", 2006 (Editions le Pommier)


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