Création de paires

Le terme création de paires renvoie à la création d'un couple particule-antiparticule à partir d'un photon (ou d'un autre boson de charge neutre) ou d’une particule chargée se déplaçant à une vitesse relativiste.

Cette interaction fut découverte pour la première fois par la chambre à bulles de Patrick Blackett, ce qui lui valut en 1948 le prix Nobel de physique.

Définition approfondie

Création de paires à partir de photons

La production fait référence à la création d'une particule élémentaire et de son antiparticule, le plus souvent à partir d'un photon (ou un autre boson neutre). Ceci est permis du moment qu'il y a suffisamment d'énergie disponible dans le centre de masse pour créer la paire -au moins l'énergie de masse au repos totale des deux particules- et que la situation permet la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement. la somme de tous les autres nombres quantiques (moment cinétique angulaire, charge électrique) des particules produites doit être nulle -ainsi les particules créées auront des valeurs opposées l'une par rapport à l'autre (par exemple, si une particule a une étrangeté de +1 alors l'autre aura une étrangeté de -1).

Ceci se produit en physique nucléaire lorsqu'un photon de haute énergie interagit au voisinage du noyau, permettant la production d'une paire électron-positron sans violer la conservation de l'impulsion. Puisque l'impulsion du photon initial doit être absorbée par quelque chose, un photon seul ne peut se matérialiser en une paire dans un espace "vide" : le noyau (ou un autre photon) est nécessaire pour qu'il y ait conservation de la norme du quadrivecteur impulsion énergie (c.-à-d. conservation à la fois de l'impulsion et de l'énergie) (voir la symétrie temporelle de l'annihilation électron-positron).

La production de paire par le couple photon-noyau ne peut avoir lieu que si les photons ont une énergie (hν) supérieure au double de l'énergie de masse au repos (m_e) de l'électron (soit environ 1,022 MeV), la production de paire par un couple photon-photon peut avoir lieu à environ 511 keV minimum pour chaque photon ; les mêmes lois de conservation s’appliquent pour la production d'autre leptons de plus haute énergie tels que muons et tauons (deux photons interagissant entre eux doivent avoir une énergie totale au moins équivalente à la masse de la paire ; un photon seul interagissant avec un noyau doit posséder l'intégralité de l'énergie de masse au repos des deux particules produites). Ces interactions furent observées pour la première fois dans la chambre à brouillard de Patrick Blackett, ce qui lui valut le prix Nobel de Physique en 1948.

Création de paires à partir de particules chargées

La création d‘une paire peut également se produire quand une particule chargée (comme par exemple un électron ou un proton), accélérée à une vitesse relativiste, percute ou frôle un noyau atomique : si l’énergie cinétique de la particule incidente est suffisamment élevée, une partie cette énergie est alors convertie en masse, permettant la création d’une paire particule-antiparticule.

Ce mécanisme est mis à profit pour certaines recherches en physique des particules :

• Production de positrons. En projetant des électrons à grande vitesse sur une cible métallique, les collisions qui en résultent produisent des paires électron-positron^[1]. Les positrons peuvent être collectés pour être ensuite utilisés, par exemple dans un collisionneur électrons/positrons.
• Production d’antiprotons, en projetant sur une cible métallique des protons à haute énergie (par exemple 120 GeV au Fermilab^[2], ou 26 GeV au CERN). Une fraction des collisions entre protons et noyaux atomiques produit des paires proton-antiproton^[3]. Des installations spécifiques permettent de recueillir les antiprotons pour en faire un faisceau utilisable pour certaines expériences à basse énergie (comme par exemple le décélérateur d’antiprotons du CERN), ou bien pour alimenter un collisionneur de Hadrons fonctionnant selon le mode proton/antiproton.
• La création de paires par particules chargées fut également utilisée pour assembler les tous premiers atomes d’antimatière, en 1995, au CERN (alors qu’auparavant, les antiprotons et positrons susceptibles de former des atomes étaient toujours produits isolément). Des antiprotons (produits par la méthode décrite ci-dessus) étaient dirigés dans une machine appelée LEAR (Low Energy Antiproton Ring ; anneau d’antiprotons de basse énergie) où ils étaient stockés à relative faible énergie. Prisonnières au sein de cet anneau, ces particules y tournaient en rond et croisaient un jet de xénon. En frôlant les noyaux de xénon, des antiprotons pouvaient ainsi créer des paires électron-positron, et dans quelques cas le positron d’une paire pouvait être capturé par un des antiprotons du faisceau, constituant alors un atome d’antihydrogène (Par la suite, d’autres méthodes plus efficaces furent utilisées pour produire des atomes d’antimatière en bien plus grande quantité)^[4],[5].

Voir aussi

Notes et références

1. ↑ (en)Exemple de production de positrons, au Centre de l'accélérateur linéaire de Stanford
2. ↑ (en)Fermilab's Chain of Accelerators : The Antiproton Source - The Target Station
3. ↑ Un exemple de production d’antiproton, au CERN : (en)public.web.cern.ch ; « principe of antiproton production »
4. ↑ (fr)public.web.cern.ch ; « La véritable histoire de l'antimatière »
5. ↑ (fr)public.web.cern.ch ; « Le principe de la production d'antihydrogène »

Articles connexes

• Photon
• Particule virtuelle
• Supernova par production de paires, phénomène astrophysique où la création de nombreuses paires électron-positron amène à une déstabilisation destructive d’une étoile de forte masse.