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Qu'est-ce que l'antimatière ?

Dossier - Antimatière vous avez dit Antimatière ?
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Le mot "antimatière" est entouré d'une certaine aura de mystère, et suscite bon nombre de questions. Nous allons définir ce qu'est l'antimatière, présenter quelques-unes de ses propriétés importantes.

  
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  • 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. On connait aussi d'autres particules, comme les neutrinos, les muons, les taus, etc... qui ne sont pas présents dans la matière qui nous entoure.

Ces particules peuvent interagir entre elles. Que veut dire ce terme ? On est familier avec le fait que des charges électriques se repoussent si elles sont de même signe alors qu'elles s'attirent si elles sont de signes opposés. Ce sont deux façons qu'ont les particules d'interagir, s'attirer ou se repousser, mais ce ne sont pas les seules. On sait maintenant que les particules peuvent aussi se transformer les unes en les autres, par exemple un muon peut se transformer en électron en émettant un neutrino et un antineutrino.

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. On les appelle théories quantiques des champs. Historiquement, la mise en place et la compréhension de ces théories ont été longues et douloureuses. Par exemple, les premières versions des théories quantiques des champs faisaient apparaître des problèmes théoriques énormes et des incohérences graves.

- Une invention théorique : En 1928, Paul Dirac montre que certains de ces problèmes sont résolus si on décrit l'électron comme une particule plus complexe qu'il n'y paraît, en lui associant une autre particule, semblable en tout point à l'électron mais avec une charge électrique opposée. Dirac commence par supposer que cette autre particule pourrait être le proton, ce qui aurait été assez joli, puisque les deux particules chargées qui composent la matière auraient en fait été deux facettes d'un même objet.

Traces laissées par le passage de particules dans un détecteur. Les deux traces de courbures opposées et issues du même point indiquent l'apparition d'une paire électron-positron."

- Une découverte expérimentale : En 1932, une nouvelle particule ayant la même masse que l'électron mais une charge opposée est découverte par Anderson parmi les particules qu'on trouve dans l'atmosphère (on les appelle les rayons cosmiques, voir plus bas), c'est le positron, la particule prédite par la théorie de Dirac. La première particule d'antimatière venait d'être découverte.

- Une propriété générale : Pour tous les types de particules, il y a un type d'antiparticule correspondant. Il y a des antiprotons, des antiélectrons (les positrons), des antineutrons (même s'ils sont neutres, ils ont des antiparticules, faites d'antiquarks).

Certaines particules sont leurs propres antiparticules, comme les photons (cette propriété des photons a des conséquences importantes, nous verrons plus loin qu'elle rend difficile la détection d'hypothétiques objets faits d'antimatière).

- Une propriété étonnante : Les antiparticules n'ont pas grand chose d'extraordinaire, elles ressemblent beaucoup aux particules usuelles mais elles ont des charges opposées. La propriété qui fait qu'on les qualifie parfois de mystérieuses, et qui leur vaut leur préfixe "anti", est la suivante : quand une particule rencontre l'antiparticule qui lui correspond, une réaction peut avoir lieu, qui conduit à l'annihilation des deux, c'est-à-dire leur disparition, avec apparition d'autres particules, souvent des photons de haute énergie, plus précisément des rayons γ (prononcer gamma).

Pour cette raison, l'antimatière est très instable dans notre environnement fait de matière, et il n'est pas question de la mettre en bouteille (une antibouteille conviendrait, mais alors pas question de la poser sur une table..).

Quand une annihilation électron-positron se produit, il peut se créer 3 photons, ou une paire de photons. Ce dernier cas est le plus probable, et les photons produits ont alors une propriété remarquable : ils ont une énergie bien déterminée de 511 keV (le keV et un multiple de l'électron-volt eV, 1 keV=1000 eV, une unité utilisée très couramment en physique des hautes énergies. La correspondance avec des unités usuelles est donnée par 1 eV = 10-19s Joule), et sont émis dans des directions exactement opposées (vues du centre de masse de la paire électron-positron).

Un PETscann médical

- Rien de mystérieux : Depuis les années 1930, la situation expérimentale a évolué, bien sûr, et l'antimatière est maintenant quelque chose d'assez ordinaire, on arrive à en produire et en stocker, à manipuler des positrons et des antiprotons, les assembler en des antiatomes d'hydrogène (par exemple, voir les expériences ATHENA et ATRAP, au CERN), on en observe dans l'atmosphère, on en capture dans des détecteurs, on en détecte de manière indirecte dans la Galaxie.

On a même réussi à trouver des usages à l'antimatière, la plus importante en pratique étant sans doute l'utilisation de la raie d'annihilation en imagerie médicale, dans les scanners à tomographie par émission de positrons (PETscann), mais on songe aussi à des applications thérapeutiques, par exemple utiliser les antiprotons pour traiter les tumeurs cancéreuses.

Une image du cerveau obtenue par IRM et par la tomographie à émission de positrons

Des utilisations pour stocker de l'énergie ou créer de nouvelles armes ont aussi été envisagées mais il semble que ces perspectives soient encore lointaines. On peut trouver une vision probablement assez réaliste de ce type d'utilisation dans le roman de science-fiction de Peter W. Hamilton intitulé "L'aube de la nuit". Ceci dit, en général les auteurs de science-fiction font souvent appel à l'antimatière comme ressource-miracle, de manière assez peu modérée...

Nous allons ici nous concentrer sur un usage tout autre : tirer de cette antimatière le maximum d'information sur les lois de la physique et sur notre Univers ! Nous allons dans ce dossier nous attarder sur les aspects reliés plus directement à l'astrophysique.