Les énigmes de l'antimatière
Publié par Adrien le 31/03/2019 à 08:00
Source: CNRS Journal
La relation entre matière et antimatière intrigue les scientifiques et suscite de gigantesques expériences. À l'occasion de la Nuit de l'antimatière du 1er avril, les explications de la physicienne Marie-Hélène Schune, lauréate 2019 de la médaille d'argent (L’argent ou argent métal est un élément chimique de symbole Ag — du latin Argentum — et de numéro atomique 47.) du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).).

Pour célébrer les avancés et les mystères de ce domaine pointu (Le pointu est une famille de barques de pêche traditionnelles de Méditerranée.) de la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la...), la première Nuit de l'antimatière (L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière classique — celle dont est faite la Terre. Le préfixe...) aura lieu dans quinze villes le 1er avril 2019.

Mais qu'est-ce que l'antimatière ?

Marie-Hélène Schune: La matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide,...) et l'antimatière sont formées d'espèces complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à l'utilisateur de...) symétriques: à chaque particule élémentaire (On appelle particules élémentaires les constituants fondamentaux de l'univers décrits par le modèle standard de la physique des particules. Ces particules subatomiques sont dites...) de matière correspond son image en antimatière. Ces pendants partagent de nombreuses propriétés identiques, comme la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la...), la durée de vie (La vie est le nom donné :) ou encore le spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge électrique. Comme la...). Ils diffèrent cependant sur leur charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de conservation.) et certaines de leurs propriétés quantiques qui sont inversées. La rencontre de la matière et de l'antimatière provoque leur annihilation et la libération d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). Première particule d'antimatière détectée, le positron (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron. Il possède une charge électrique de +1 (contre -1 pour l'électron), le même spin et la même masse que l'électron.) est l'antiparticule (A chaque type de fermions fondamentaux correspond un type d'antiparticule. Ainsi, à l' électron est associé au positron, et les quark, à leurs antiquark. La première antiparticule observée, un antiélectron (positron) produit par la...) de l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.). Il possède ainsi la même masse, mais sa charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non...) est positive. En général, les antiparticules subatomiques sont simplement nommées "barre": le quark (Les quarks sont des fermions que la théorie du modèle standard décrit, en compagnie de la famille des leptons, comme les constituants élémentaires de la matière.) u a donc pour pendant l'antiquark ū, prononcé "u barre". Il existe aussi bien des antineutrons, des antiprotons que des antiatomes. L'antiélément le plus lourd jamais observé est l'antihélium 4, composé de deux antiprotons et antineutrons. Il a été obtenu en 2011 au Collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux dirigés de particules élémentaires.) d'ions lourds relativistes de Long Island, aux États-Unis.


Vue d'artiste (Est communément appelée artiste toute personne exerçant l'un des métiers ou activités suivantes :) d'un proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) avec deux quarks u (bleu et rouge) et un quark d (vert). Les forces entre quarks sont liées par des gluons (jaune). LAGUNA DESIGN (Le design (la stylique en français) est un domaine visant à la création d'objets, d'environnements ou d'œuvres graphiques, à la fois fonctionnels, esthétiques et conformes aux impératifs d'une...) / SCIENCE (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large. L'ensemble de...) PHOTO LIBRARY

Pourquoi la recherche s'intéresse-t-elle autant à l'antimatière ?

M.-H. S.: Dans la plupart des cas en physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi physique...), matière et antimatière ont des rôles identiques. Jusque dans les années 1960, on pensait même qu'avec la matière, c'était blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un spectre lumineux continu, d'où l'image que l'on en...) 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. Lorsque l'on se penche sur la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...) du Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des...) et sur l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très...) de l'évolution de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.), on fait face à un problème de taille. Le Big Bang 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 ? Certaines théories évoquent la présence d'antigalaxies. Nous n'avons cependant jamais trouvé la signature de la zone de rencontre entre matière et antimatière, qui devrait émettre énormément d'énergie. L'Univers observable (L'univers observable est un terme utilisé en cosmologie pour décrire la partie visible de notre Univers. Par définition même, la limite de cette partie visible est...) est complètement dominé par la matière et cela ne peut être dû qu'à une violation de la symétrie CP (En physique des particules, une théorie possède la symétrie CP si elle est invariante sous une transformation simultanée de conjugaison de charge, qui échange...). Le modèle standard de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la nature ;...) des particules contient bien de la violation de CP, mais en quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une...) beaucoup trop faible pour expliquer l'Univers tel qu'on l'observe actuellement. Quelque chose ne "colle (Une colle ou la glu est un produit de nature liquide ou gélatineuse servant à lier des pièces entre elles. Ces pièces peuvent être...) pas". En physique des particules, on s'intéresse donc plus à énumérer et à comprendre les conditions où la symétrie CP est violée qu'à l'antimatière elle-même. C'est ainsi le but de nombreuses expériences dans les accélérateurs de particules, tels que le LHC (pour Large Hadron Collider (Le LHC (Large Hadron Collider, « Grand Collisionneur Hadronique ») est le prochain grand accélérateur de particules qui sera mis en opération en 2007 au CERN à la frontière franco-suisse. Une...)).

Quels sont les cas connus ?

M.-H. S.: Pour l'instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être...), il s'agit des quark s, b et c, respectivement pour strange, bottom et charm et de leur antiquark. La première violation CP a été découverte en 1964 pour les quarks strange, suivi, en 2001, des bottom. Pour les quarks charm, cela remonte à seulement mi-mars au LHC ! Les neutrinos sont également étudiés dans cette optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.). Certaines théories impliquent qu'ils puissent être leur propre antiparticule, mais personne n'a encore observé la signature d'un tel phénomène. C'est un domaine aussi extrêmement intéressant, mais ce n'est pas ma spécialité.

Comment se déroulent vos expériences sur les quarks et antiquarks au LHC ?

M.-H. S.: Les violations de CP sont des phénomènes aussi rares que difficiles 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 LHCb au collisionneur du Cern. On y envoie 2 500 paquets, de cent milliards de protons chacun, tourner dans un sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du...) et la même chose dans l'autre. Cela aboutit à quarante millions de collisions de protons par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une mesure d'angle...), 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 (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) 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. Tous ces défis technologiques ne peuvent être menés à bien qu'au sein d'une grande expérience internationale, regroupant près d'un millier de chercheurs. Ensuite, en fonction de ses intérêts, chaque équipe pioche dans l'immense pile de données disponibles.


L'expérience LHCb au Cern permettra d'observer la production et la désintégration des quarks. 2018-2019 CERN

Peut-on observer de l'antimatière en dehors de ces immenses accélérateurs ?

M.-H. S.: Oui, on peut par exemple citer le spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité observée — un faisceau lumineux en spectroscopie, ou bien un mélange de molécules par exemple en spectrométrie de masse — en ses...) magnétique Alpha (AMS), installé à bord de la Station spatiale internationale (La Station spatiale internationale (en anglais International Space Station ou ISS) est un habitat placé en orbite terrestre basse, occupé en permanence par un équipage international qui se consacre à la...). Cet équipement est d'ailleurs assez proche des détecteurs que nous utilisons dans nos expériences de physique des particules: il mesure la courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure quantitative du caractère « plus ou moins courbé » de cet objet. Par exemple :) des particules chargées qui le traversent afin de déterminer leur charge électrique et leur impulsion. Il est aussi capable de déterminer des informations sur la masse des particules. Ainsi, si la masse mesurée est compatible avec celle d'un électron et que la charge est positive, on est en présence de l'antiparticule de l'électron: le positron (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron. Il possède une charge électrique de +1 (contre -1 pour l'électron), le même spin et la même masse que l'électron.). On observe aussi de l'antimatière avec la tomographie par émission de positrons, ou PET-scan. On injecte au patient (Dans le domaine de la médecine, le terme patient désigne couramment une personne recevant une attention médicale ou à qui est prodigué un soin.) du glucose (Le glucose est un aldohexose, principal représentant des oses (sucres). Par convention, il est symbolisé par Glc. Il est directement assimilable par l'organisme.) 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 (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette...) à l'énergie caractéristique. Des détecteurs les repèrent et indiquent donc où s'est fixé le glucose.

Rendez-vous à la première Nuit de l'antimatière

Organisée par le CNRS, le CEA et la Société française de physique et en partenariat avec le magazine Sciences et Avenir, la première Nuit de l'antimatière se tiendra le lundi 1er avril. En plus d'un événement au Grand Rex de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine,...) à 18 h 30, elle se déroulera en simultané dans 14 autres villes françaises: Annecy, Bordeaux, Caen, Clermont-Ferrand, Dijon, Dunkerque, Grenoble, Limoges, Lyon, Marseille, Orléans, Poitiers, Strasbourg et Toulouse. Focalisée sur les lycéens et les étudiants, mais ouverte à tous les curieux, cette première Nuit de l'antimatière sera diffusée en direct sur la page Facebook (Facebook est un réseau social créé par Mark Zuckerberg et destiné à rassembler des personnes proches ou inconnues. Depuis...) du CNRS et sur le site. La conférence inaugurale au Grand Rex réunira trois spécialistes: Marie-Hèlene Schune, chercheuse du CNRS au Laboratoire de l'accélérateur linéaire, Pauline Comini, chercheuse à l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) de recherches sur les lois fondamentales de l'Univers, et Étienne Parizot, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés...) de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) Paris-Diderot au laboratoire Astroparticule et cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.) (CNRS/CEA/Observatoire de Paris/Université Paris Diderot).
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