Première nuit de l’antimatière : retour sur ces énigmatiques particules

L'antimatière n'est pas de la science-fiction, elle existe et nous l'utilisons même dans la médecine moderne. Pour autant, elle reste mystérieuse à bien des égards. La première nuit de l'antimatière est l'occasion de revenir sur ces particules aussi étranges que difficiles à cerner.

Aujourd'hui, se tient la première nuit de l'antimatière, un événement organisé par la Société Française de Physique (SFP), le CNRS (dans le cadre de ses 80 ans) et le CEA. Son but ? « Informer le grand public et le public scolaire sur tous les aspects de l'antimatière, objet de nombreuses recherches et source de beaucoup d'applications, y compris dans la vie de tous les jours ».

Des événements sont organisés dans 13 villes de France – Annecy, Bordeaux, Caen, Clermont-Ferrand, Dijon, Dunkerque, Grenoble, Limoges, Lyon, Orléans, Paris, Poitiers et Strasbourg – et des directs diffusés à partir de 18h30 et jusqu'à 22h sur YouTube et la page Facebook du CNRS :

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• Nuit de l'antimatière sur Facebook

L'antimatière, c'est quoi exactement ? 

Commençons par poser quelques bases : « La matière et l’antimatière sont formées d’espèces complètement symétriques : à chaque particule élémentaire de matière correspond son image en antimatière », rappelle le CNRS. Ces deux faces d'une même pièce partagent de nombreuses propriétés physiques, comme la masse ou la durée de vie. Mais ces particules diffèrent sur leur charge électrique et certaines de leurs propriétés quantiques sont inversées. 

Lorsque de la matière rencontre son équivalent en antimatière, les deux peuvent s'annihiler complètement pour donner de l'énergie, suivant la fameuse formule d'équivalence d'Einstein « E = m x c² » (l'énergie est égale à la masse multipliée par la vitesse de la lumière au carré).

Une histoire qui remonte à 1928 avec Paul Dirac

La notion d'antimatière est loin d'être nouvelle. Déjà en 1928, le physicien britannique Paul Dirac prédisait l’existence d’une particule identique à l’électron, mais dotée de charge positive. Sans entrer dans trop de détails, l'Encyclopædia Universalis donne les grandes lignes : « En 1928, en combinant les principes de la relativité restreinte et ceux de la théorie quantique, Dirac découvre l'équation relativiste de l'électron, équation qui porte son nom ».

Dans une conférence sur l'antimatière, Thibault Catherine – directrice de recherche depuis plus de 30 ans au CNRS – revient sur cette découverte. Elle explique que l'équation de Dirac a deux solutions, et que c'est un « problème » pour le scientifique. « Une des solutions décrit très bien le mouvement de l'électron [...] par contre, la deuxième solution correspondait à un électron qui aurait eu une énergie négative ».

• Voir la conférence L'antimatière existe : je l'ai rencontrée

Paul Dirac émet alors l'hypothèse d'une nouvelle particule baptisée antiélectron. Il ne faudra pas attendre longtemps pour en avoir la confirmation car « il fut découvert expérimentalement en 1932 par l’américain Carl Anderson en étudiant les traces de rayons cosmiques », explique la Société Française de Physique. Désormais, on ne parle pas d'antiélectron, mais de positron ou parfois de positon.

Aujourd'hui, plusieurs particules élémentaires ont des antiparticules connues : « il s’agit des quarks s, b et c, respectivement pour strange, bottom et charm et de leur antiquark », énumère Marie-Hélène Schune, médaille d'argent 2019 du CNRS. Pour rappel, nous avions déjà évoqué les quarks qui sont avec les leptons, les particules élémentaires de l'Univers.

• Retour en douceur sur la découverte d'une nouvelle particule, avec deux quarks « charmés »

De la violation de la symétrie Charge-Parité au Big Bang

Pour Marie-Hélène Schune, l'antimatière apporte un changement important dans la physique 30 ans plus tard : « Jusque dans les années 1960, on pensait même qu’avec la matière, c’était blanc bonnet et bonnet blanc. La découverte en 1964 d’un comportement différent entre matière et antimatière a compliqué les choses : on appelle cela la violation de CP », CP pour Charge-Parité. En effet, dans le cas de la symétrie CP, les propriétés des particules et de leurs antiparticules sont identiques.

La violation de cette symétrie n'est pas anodine si l'on remonte jusqu'au Big Bang : il « part d’une énergie pure qui produit autant de matière que d’antimatière. Toutes deux devraient s’être annihilées, or nous existons aujourd’hui grâce à un excès de matière. D’où vient cette différence et où est l’antimatière manquante ? », se demande le centre national pour la recherche scientifique. 

Depuis, les chercheurs ne se sont pas arrêtés en si bon chemin : « La première violation CP a été découverte en 1964 pour les quarks strange, suivis, en 2001, des bottom. Pour les quarks charm, cela remonte à seulement mi-mars au LHC ! ». Notez qu'il existe (comme bien souvent), un cas particulier : les neutrinos de charge nulle.

« Certaines théories impliquent qu’ils puissent être leur propre antiparticule, mais personne n’a encore observé la signature d’un tel phénomène ». De plus amples informations sur ce sujet sont disponibles dans la publication Les physiciens à l'assaut des neutrinos du journal du CNRS.

La difficulté d'analyser l'antimatière

L'antimatière existe, mais pour se rendre compte de la difficulté de l'analyser , Marie-Hélène Schune décrit une expérience sur les violations de CP, des phénomènes aussi rares que difficile à capturer :  

« Les enregistrer revient à chercher une aiguille dans plusieurs meules de foin, nos manipulations génèrent des quantités énormes d’événements. De plus, les quarks et les antiquarks ne s’observent pas individuellement, mais au sein des particules subatomiques qu’ils composent avec les gluons : les hadrons.

Je travaille dans le cadre de l’expérience LHCb5 au collisionneur du Cern6. On y envoie 2 500 paquets, de cent milliards de protons chacun, tourner dans un sens et la même chose dans l’autre. Cela aboutit à quarante millions de collisions de protons par seconde, et crée énormément de hadrons contenant les quarks b et/ou c.

On utilise d’énormes détecteurs, qui couvrent une dizaine de mètres, pour mesurer le passage des particules avec une précision de l’ordre du micron. La quantité de données est gigantesque et un tri doit être fait afin de ne garder que les événements potentiellement intéressants. Ce choix doit être fait en seulement deux microsecondes. »

L'antimatière dans l'ISS et la médecine moderne (PET-Scan)

Ne pensez pas que l'antimatière relève uniquement de la science-fiction et des accélérateurs de particules. Dans l'espace, le spectromètre magnétique Alpha (AMS-02) est un détecteur de particules installé sur la Station spatiale internationale. Son objectif : « la recherche de matière noire, d’antimatière et de matière manquante. Il effectue des mesures de précision sur les rayons cosmiques ».

Ce n'est pas tout : la tomographie par émission de positrons (TEP ou PET Scan en anglais) est un examen d’imagerie médicale qui ne date pas d'hier : « On injecte au patient du glucose comportant une petite quantité de noyaux radioactifs qui émettent des positrons. Ces derniers vont s’annihiler avec les électrons présents dans le corps du patient, ce qui émet des photons à l’énergie caractéristique. Des détecteurs les repèrent et indiquent donc où s’est fixé le glucose ».

Masse négative et « antigravité »

Malgré ces connaissances, il reste encore beaucoup d'inconnues, comme le rappelle la Société Française de Physique : « est-ce que l'antimatière tombe à la même vitesse que la matière ordinaire, ou se comporte-t-elle différemment ? Voire même, tomberait-elle vers le haut plutôt que vers le bas, comme la matière ordinaire ? En dépit de nos connaissances de longue date sur l’antimatière, cela n'a jamais été mesuré directement par des expériences. »

Si le CERN a réussi à créer de l’antihydrogène depuis 1995, sa masse est aussi faible que celle de l'hydrogène, ce qui est un problème dans le cas présent : « pour pouvoir mesurer des temps de chutes dans une chambre à vide de taille raisonnable avec assez de précision, il faut donc réduire le plus possible l’effet de l’agitation thermique des atomes. Cela revient à les refroidir à des températures très basses. Et cela constitue un challenge considérable, car l’antiproton est créé par une collision à haute énergie qui le porte à une température 2 millions de fois plus importante que celle de la matière située au centre du Soleil », excusez du peu.

La recherche ne baisse pas les bras pour autant : « de nouvelles expériences du CERN – notamment ALPHA-g, GBAR et AEGIS – vont à présent commencer leur exploration en vue de répondre à cette question. Même une petite différence entre l’accélération de gravité de la matière et de l’antimatière constituerait un résultat lourd de conséquences pour la physique fondamentale. De surcroit, si l’on observait une gravité répulsive pour l’antimatière (correspondant à une masse négative pour cette dernière), cela aurait des répercussions importantes sur plusieurs notions de la cosmologie moderne, telles que la matière et l’énergie noires ».

Avec l'hypothèse très audacieuse d'une antimatière ayant une masse négative « on pourrait résoudre d’un coup la double énigme de la matière noire et de l’énergie noire en admettant qu’il reste dans notre Univers de l’antimatière et qu’elle possède une masse négative », explique le CNRS.  Mais c'est là encore une autre histoire que nous avions évoquée lors de la journée de la matière noire le 31 octobre.

• Dark Matter Day... mais au fait, c'est quoi la matière (et l'énergie) noire ?