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Qu’est-ce que l’antimatière ?
jeudi 2 septembre 2021, par
« Un électron dans un état d’énergie négative est un objet tout à fait étranger à notre expérience, mais que nous pouvons cependant étudier au point de vue théorique ; ... Admettons que dans l’univers tel que nous le connaissons, les états d’énergie négative soient presque tous occupés par des électrons, et que la distribution ainsi obtenue ne soit pas accessible à notre observation à cause de son uniformité dans toute l’étendue de l’espace. Dans ces conditions, tout état d’énergie négative non occupé représentant une rupture de cette uniformité, doit se révéler à l’observation comme une sorte de lacune. Il est possible d’admettre que ces lacunes constituent les positrons ».
P.A.M. Dirac (1902-1984) (rapport au 7ème conseil Solvay de Physique, 1934)
Pour le grand public, la notion d’antimatière ressemble souvent à un univers de science fiction, à des extraterrestre ou à un monde très énigmatique. Pour les physiciens, il y a belle lurette qu’il n’en est plus ainsi. Il a passé de l’eau sous les ponts et les preuves se sont accumulées depuis l’époque où le physicien Dirac avançait l’hypothèse de l’existence de l’antimatière.
Qu’entend-on par là ? C’est l’équivalent d’une sorte de matière mais qui réagirait à rebours de la matière habituelle. Cela signifie qu’elle agit comme une matière qu’on regarderait dans un film projeté à l’envers, donc comme si le temps s’écoulait en sens inverse ! Il y a une contradiction dialectique entre matière et antimatière car les deux s’allient sans cesse, s’éliminent mutuellement et se combattent mais sans jamais en finir vraiment l’une avec l’autre. Ce n’est pas seulement une existence des contraires du type "l’un ou l’autre" mais à la fois "l’un et l’autre" et "l’un contre l’autre" et encore "l’un pour l’autre" !
Extraits de "L’antimatière" de Gabriel Chardin :
"Si nous acceptons la vision d’une symétrie complète entre les charges positives et négatives vis-à-vis des lois fondamentales de la Nature, déclarait Dirac lors de la cérémonie au cours de laquelle il reçut le prix Nobel, il nous faut considérer comme un accident que la Terre (et sans doute l’ensemble du système solaire) contienne majoritairement des électrons négatifs et des protons positifs. Il est parfaitement possible que la situation soit renversée pour certaines des étoiles, composées principalement de positrons (électrons positifs) et de protons négatifs. Il se peut en fait qu’il existe autant d’étoiles de chaque sorte. Les deux sortes d’étoiles auraient exactement le même spectre lumineux, et il n’existerait aucun moyen de les distinguer en utilisant les méthodes astronomiques actuelles."
(...) En 1932, le physicien américain Carl Anderson confirmait de façon éclatante cette hypothèse en observant dans le rayonnement cosmique une particule qui avait la même masse que l’électron, mais de charge opposée. On observait bientôt que, en s’arrêtant dans la matière, le positron se désintégrait en deux photons gamma (...) La découverte d’Anderson fut rapidement confirmée, non plus maintenant en utilisant le rayonnement cosmique, mais en produisant directement de l’antimatière grâce au bombardement des noyaux par des rayonnements gamma pour produire des paires électron-positron, ce que nous appellerions aujourd’hui la réaction inverse de l’annihilation. (...) La découverte du positron allait entraîner une nouvelle hypothèse, celle de l’existence d’une antiparticule jumelée à chaque particule et de celle d’un monde miroir jusqu’alors inobservé. En effet, une fois le positron détecté, la tentation était grande de généraliser la notion d’antiparticule et de chercher à observer l’antiproton et l’antineutron, ce qui aurait rétabli la symétrie du petit monde des particules connu, composé des seuls proton, neutron et électron. (...) Fabriquer un antiproton ou un antineutron demande environ mille huit cents fois plus d’énergie que la fabrication d’un positron, ce qui explique qu’il a fallu attendre trente-trois ans après la découverte du positron qu’Emilio Segré, Owen Chamberlain, Clyde Wiegand et Tom Ypsilantis découvrent, en 1955, l’antiproton, puis, l’année suivante, l’antineutron. Dans les deux cas, la découverte fut réalisée non plus en observant le rayonnement cosmique, mais en utilisant le Bevatron de Berkeley, un accélérateur de particules qui avait été construit dans le but de créer l’antiproton. (...) On a découvert dans le rayonnement cosmique d’autres particules, comme le muon ou le kaon, (...) une règle simple était toujours respectée pour chaque particule, on observait toujours son antiparticule, dotée autant que l’on pouvait en juger de propriétés extrêmement semblables à celles de la particule. Ainsi, il n’existe aujourd’hui aucun exemple de particule, y compris instable, qui n’ait pas son antiparticule. (...) C’est le physicien danois Gerhart Lüders qui clarifia un peu la situation en montrant pourquoi le monde de la matière et celui de l’antimatière devaient être si semblables : toute théorie physique "raisonnable" devait en effet respecter la symétrie CPT. (...)
La première, C, on l’appelle la conjugaison de charge (C est ici l’abréviation de "charge", en raison de l’inversion de charge entre particule et antiparticule). (...) On part d’une situation dont on sait qu’elle est permise par la nature et l’on applique la transformation C - en remplaçant donc toute particule par son antiparticule -, la nouvelle situation ainsi construite est-elle ou non permise dans la nature ? Si la réponse est oui, on dira que l’expérience respecte la symétrie C, et dans le cas contraire on dira qu’elle la viole. (...)
Cherchons à définir maintenant la transformation P (pour "parité"). (...) L’opération P est l’opération "miroir". (...) Appliquer la transformation P à une expérience réelle consiste maintenant à réaliser par la pensée l’expérience telle qu’elle serait vue dans un miroir. (...) Nous pouvons maintenant nous poser la question de savoir si, partant d’une expérience autorisée par la nature, la situation telle qu’elle est vue dans le miroir constitue également une situation permise par la nature. (...)
Passons maintenant à la troisième transformation, la transformation T (T est ici l’abréviation de "temps"). Appliquer la transformation T à une expérience revient à filmer celle-ci, puis à passer le film à l’envers. On obtient alors une nouvelle expérience donc, à nouveau, nous ne savons toujours pas a priori si elle est réalisable par la nature. (...)
Le théorème CPT affirme que, si l’on filme le reflet dans un miroir (la transformation P) d’un monde où les particules sont remplacées par des antiparticules (la transformation C), ce film passé à l’envers (la transformation T) doit montrer des processus qui sont également possibles dans notre monde de matière. (...) Ce théorème n’est démontré que sous certaines hypothèses. (...)
L’une des conséquences majeures de ce théorème concerne le rapport entre matière et antimatière. Le théorème implique en effet qu’à notre monde de matière corresponde un monde d’antimatière extrêmement proche puisque, par exemple, chaque particule doit avoir la même masse que la particule associée, ainsi que la même durée de vie. (...)
Lorsque Lüders démontre son théorème au début des années 50, l’immense majorité des physiciens aurait parié que la nature était telle que les morceaux du puzzle C, P et T étaient chacun séparément symétriques. n’est-il pas évident par exemple que la symétrie P est respectée par les lois de la nature, et que le reflet de notre monde dans un miroir montre des situations qui sont réalisables en pratique ? (...)
Les physiciens chinois Lee et Yang osèrent briser le tabou. ils montrèrent en effet que l’on ne savait pas si la nature respectait la symétrie miroir dans le cas de la désintégration des kaons. Cette particule se désintégrait tantôt en deux particules - que l’on appelle les pions -, tantôt en trois particules ; cela violerait la symétrie miroir. (...)
Quelques expérimentateurs intrépides, et parmi eux une physicienne nucléaire d’origine chinoise, Mme Chien-Shiung Wu, relevèrent le défi ; malgré l’incrédulité de la grande majorité de ses collègues, Mme Wu fut la première à vérifier bientôt que l’on peut reconnaitre notre monde de son image dans un miroir, ce qui signifie que l’on peut définir de façon absolue la droite de la gauche. (...) Ce résultat expérimental agit comme une déflagration sur le petit monde des physiciens. (...)
Les physiciens russes Lev Landau et Lev Okun montrèrent l’année suivante que l’on avait été trop naïf en supposant que les pièces du puzzle C et P étaient l’une et l’autre symétriques. Mais la symétrie qui, promis juré, devait être respectée était le produit des transformations C et P. (...) De fait, dans l’équation de Dirac, changer le signe de l’énergie revient à changer le sens du temps, et le positron y apparaît bien comme un électron qui remonte le temps (…) Notons également que, si le théorème CPT est vérifié, une différence de comportement entre matière et antimatière (une violation de CP) est reliée à la flèche du temps (une violation de T), un autre grand problème non résolu de la physique. C’est avec une immense surprise et une très grande méfiance que fut accueillie en 1964 la découverte de la violation CP. Les découvreurs eux-mêmes, les physiciens James Cronin, Val Fitch, James Christenson et le Français René Turlay, vérifièrent leur résultat pendant six mois avant d’oser annoncer leur découverte. (…) Récapitulons la façon dont la nature respecte les symétries C, P et T : l’interaction faible semble être la seule ,des quatre interactions à violer les transformations C et P, révélant que matière et antimatière ne respectent pas la symétrie miroir dans tous les phénomènes mettant en jeu l’interaction faible. Elle semble également être la seule à mettre en évidence, mais à un niveau très faible et dans le seul cas des kaons neutres, la violation de la symétrie CP, permettant une définition absolue de la matière par rapport à l’antimatière, et de la symétrie T du renversement de temps. Notons que l’on soupçonne la gravitation de violer la symétrie CPT dans le mécanisme d’évaporation des trous noirs (…) Si la symétrie est si grande entre matière et antimatière, et si la différence de comportement, pour discutable qu’elle soit, ne s’observe que dans un coin très discret de la physique, la question se pose maintenant de comprendre pourquoi notre environnement ne comprend pratiquement pas d’antimatière (…)"
... suite à venir ....
L’expérience “Babar”
"Les résultats d’une expérience menée au CERN confirment que, même dans l’univers subatomique, le temps préfère couler dans un certain sens.
"Impossible de vous dire mon âge, il change tout le temps." Ainsi s’exprimait le célèbre écrivain Alphonse Allais qui par ces simples mots illustrait parfaitement la marche immuable du temps. Mais si dans notre monde le passé, le présent et le futur se succèdent invariablement dans ce sens, il n’en va pas de même dans l’univers des particules subatomiques. Du moins c’est que les physiciens pensaient jusqu’à ce qu’une équipe de chercheurs du CERN, le Laboratoire européen pour la physique des particules (Genève), mesure pour la première fois l’asymétrie du temps pour des kaons.
En physique, les lois de Galilée, Newton ou encore Einstein sont symétriques dans le temps, c’est-à-dire que ce dernier peut être renversé sans changer le comportement des objets que les équations décrivent. Se basant sur les travaux de leurs illustres prédécesseurs, les spécialistes de la physique quantique ont alors été menés à envisager l’existence de l’antimatière et des antiparticules, les "miroirs" de la matière.
Initiée en 1985, l’expérience CPLEAR (CP-Low Energy Antiproton Ring) du CERN a pour but d’étudier les différences entre la matière et l’antimatière. A l’aide du collisionneur de particules de faible énergie, les chercheurs ont réalisé des chocs entre des antiprotons et des atomes d’hydrogène afin de produire des kaons et des antikaons. Lorsqu’ils se déplacent, les antikaons peuvent se transformer en kaons et inversement. L’équipe du CERN a alors utilisé un détecteur afin de compter les kaons et les antikaons générés par les collisions. Or, les chercheurs ont découvert que le taux de transformations des antikaons en kaons était plus élevé que celui des kaons en antikaons, le processus inverse dans le temps. "Le résultat de cette expérience révèle pourquoi l’univers est constitué de matière et non d’antimatière, explique Noulis Pavlopoulos de l’équipe CPLEAR. Même à l’échelle microscopique, le temps ’préfère’ couler dans une certaine direction."
Cette expérience apporte également un vent de soulagement dans la communauté scientifique. Elle confirme en effet la symétrie CPT (Charge-Parité-Temps), un des fondements de la physique moderne qui explique pourquoi nous vieillissons. Cette règle veut que la combinaison des symétries de Charge (particule/antiparticule), de Parité (symétrie dans l’espace) et de Temps soit également une symétrie. Or, en 1964, des physiciens américains ont noté que la combinaison des symétries CP n’était pas respectée. Cela signifiait que, pour conserver la symétrie CPT, la symétrie T devait également être violée. "La mesure de l’asymétrie du temps fut longtemps impossible, ajoute Noulis Pavlopoulos. Tout le monde attendait ce résultat car si la symétrie T n’était pas violée, toute la physique moderne s’écroulait." Mais tout n’est pas fini. Aujourd’hui, les chercheurs vont s’attacher à savoir si la symétrie CPT n’est pas perturbée par d’autres forces comme la gravitation, auquel cas il faudra peut-être revoir notre conception de l’écoulement du temps.
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Les résultats de l’expérience “Babar” confirment un modèle décrivant le comportement de la matière et de l’antimatière vieux de trente ans.
“Je suis vraiment impressionnée par la puissance du modèle établi il y a trente ans." Lydia Roos, physicienne à l’IN2P3*, à Paris, ne cache pas son admiration. Elle fait partie des 600 chercheurs et ingénieurs qui ont mené pendant plus de deux ans l’expérience Babar, au Stanford linear accelerator center (Slac), en Californie, et dont les résultats ont été rendus publics récemment. Deux ans de prise de mesures qui ont permis de confirmer la prédiction d’un modèle théorique mis au point au début des années 1970 : la symétrie CP, pour charge–parité, est bel et bien violée pour les mésons B, à l’instar de leurs cousins plus légers, les mésons K.
Le monde subatomique aime les symétries. Il en est une particulièrement importante, qui régit les relations entre les particules et leurs antiparticules, ces miroirs de même masse mais de charge opposée. Baptisée symétrie CPT, elle désigne en fait l’invariance du produit de trois opérations fictives : la conjugaison de charge C, qui transforme particules en antiparticules, la parité P, qui change le signe des coordonnées dans l’espace, et l’inversion du temps T. Issue des théories de la relativité, cette symétrie constitue l’un des piliers de la physique quantique.
Seulement voilà, le monde subatomique sort parfois des sentiers battus. En 1964, on a découvert que le produit CP n’était pas invariant lors de la désintégration, par interaction faible (l’une des quatre forces fondamentales), des mésons K, particules constituées d’un quark étrange** et d’un anti-quark. Cette violation de symétrie n’est pas anodine, puisqu’elle permettrait d’expliquer pourquoi l’Univers est formé de matière et non d’antimatière. En effet, d’après le théoricien russe Sakharov, la prédominance de la matière résulte en partie de cette différence de comportement entre particules et antiparticules. Par ailleurs, la violation CP implique celle de la symétrie de temps. Une violation nécessaire à la conservation de la fameuse symétrie CPT. En d’autres termes, les particules, elles aussi, ont leur passé et leur avenir. Elles aussi suivent la "flèche du temps".
Mais en science, et à plus forte raison en physique, les résultats expérimentaux hors normes ne sont guère appréciés. On a donc rapidement développé un modèle théorique pouvant expliquer cette violation. Il s’agit de la matrice Cabbibo-Kobayashi-Maskawa, du nom de ses trois inventeurs. Mais cette théorie, qui rend possible la violation de la symétrie CP pour les mésons K, prédit cette même violation pour les mésons B, composés, eux, d’un quark beau et d’un anti-quark.
C’est pour vérifier cette prédiction que l’expérience Babar a été mise au point. Depuis son lancement en mai 1999, plus de 32 millions de paires particules–antiparticules ont été produites dans le collisionneur électrons–positrons du Slac. "Nous avons ainsi pu réaliser une mesure directe de l’un des paramètres représentatifs de la violation CP, que l’on nomme sin 2b , indique Lydia Roos. Si ce paramètre était égal à zéro, il n’y aurait pas de violation pour les mésons B." Soulagement dans les rangs, la valeur déterminée à Stanford frôle 0,6. La violation de symétrie CP pour les mésons B existe donc bien et le modèle de Cabbibo, Kobayashi et Maskawa est sauvé. "Notre résultat cadre étonnamment bien avec ceux des précédentes mesures indirectes, qui tournaient autour de 0,7," se félicite la physicienne.
Pour autant, les recherches ne sont pas terminées. "Nous accumulons des données afin d’affiner la valeur de sin 2b , précise Lydia Roos. En juin 2002, nous espérons atteindre les 100 millions de paires particules–antiparticules." Les scientifiques tenteront également de caractériser d’autres paramètres typiques d’une violation CP. "Sin 2b était le moins difficile à mesurer," confie Lydia Roos. Déterminer le reste ne sera donc pas une sinécure. C’est néanmoins à ce prix que l’on pourra peut-être comprendre pourquoi la matière domine l’Univers."