L’antimatière
Gabriel C
HARDIN
DAPNIA, CEA/Saclay
L’antimatière
Gabriel C
HARDIN
DAPNIA, CEA/Saclay
L’antimatière
• Brève histoire de l'Univers
• Où est passée l’antimatière ?
• La violation de CP (asymétrie matière-antimatière)
• Passages entre matière et antimatière
• Quel est le poids de l'antimatière ?
• Energie noire et gravité répulsive
• Conclusions
Brève histoire
de l’univers
• Plus on est proche du Big-Bang,
plus matière et antimatière
sont présentes en quantités
égales
• Quand la température baisse,
matière et antimatière
s’annihilent
• Dans notre environnement, il n’y
a pratiquement plus que de la
matière
• Pourquoi cette dissymétrie ?
La famille
des particules
• La description des particules
s’est grandement simplifiée au
fil des années
• Quarks, leptons et bosons
messagers suffisent à classifier
l’ensemble des particules
• A chaque particule correspond
une antiparticule de même
masse, de charge opposée et de
moment magnétique opposé
Petite histoire de l’antimatière
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T4
1929 : Dirac
Électromagnétisme
électron
Maxwell
relativiste
1905 : Einstein
Relativité restreinte
avec spin
1926 : Schrödinger
Mécanique Quantique
L’équation de Dirac a 2 solutions !
l’électron
????
Que signifie la deuxième solution ?
Problème…
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T5
1932 : Anderson découvre le positron
dans les rayons cosmiques
Plomb
Rien ?
Électron d’énergie négative …
Une particule de charge +1 ???
Le proton ? Mais sa masse est 2000 fois plus grande
Dirac invente
l’antiélectron
en 1930
électron
e
–
e
+
positron
L’antimatière
même masse
même durée de vie
charge opposée
etc.
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T6
électron
e
–
•
proton
p
+
neutron
n
photon
γ
•
+
–
•
e
+
positron
antiproton
antineutron
•
γ
photon
p
–
n
Le théorème
CPT
• Les 3 symétries miroir C, P et T
• Pauli, Lüders, Bell : la symétrie CPT
doit être respectée
• Initialement, les physiciens pensaient
que les symétries C, P et T étaient
respectées séparément
• 1956 : découverte violation de P
• 1964 : découverte violation de CP par
V. Fitch, J. Cronin, R. Turlay et J.
Christenson
1956 : découverte de la
violation de la parité
• On pensait initialement que la symétrie
miroir (P) était respectée
• Les théoriciens Chen Ning Yang et
Tsung-Dao Lee proposent en 1956
l’idée que les interactions faibles ne
respectent pas la symétrie miroir
• Peu après, Chien-Shiung Wu,
physicienne chinoise, réalise une
expérience qui démontre de façon
éclatante cette violation
La représentation
de Charles Hinton
Matière vs. antimatière
• Antimatière: “
la matière qui remonte le temps
” (Wheeler, 1957),
électrodynamique, théorème CPT
• Violation de la symétrie matière-antimatière (et violation du
renversement du temps observée finalement en 1998 par
l’expérience CP-LEAR au CERN): possibilité de définir de façon
absolue la matière par rapport à l’antimatière
• L’asymétrie matière-antimatière (violation de CP): peut-on la
comprendre et prédire sa valeur dans la théorie actuelle (Modèle
Standard)
Qu’est devenue l’antimatière ?
⇒
Production d’un
léger déséquilibre :
1 000 000 000
antiprotons
ou
antineutrons
…
⇓
1 000 000 001
protons
ou neutrons…
•
déséquilibre thermodynamique
☺
possible au tout début du big-bang
•
dissymétrie matière – antimatière
☺
observée pour le kaon neutre
(CPLEAR) et le B (expérience Babar)
Il peut y avoir disparition
de l’antimatière si
A. Sakharov
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T30
•
quarks et antiquarks se désintègrent
ex.
p
→
2
e
+
+
e
–
→
2
e
–
+
e
+
☺
théories de grande unification
p
Que nous apprend la violation de CP ?
• Supposons que le programme SETI
découvre finalement une autre (?)
espèce intelligente dans la galaxie
• Jusqu’à présent, les discussions se
sont prudemment limitées à des
échanges de messages radio
(photons)
• Bientôt, les physiciens se demandent
s’il serait ou pas dangereux de
rencontrer les aliens et d’aller leur
serrer la main
• Matière ou antimatière ?
La rencontre peut se
révéler…
…finalement assez anodine
s’ils sont comme nous
composés de matière…
…ou un désastre majeur si
les aliens sont constitués
d’antimatière
When
When
Harry
Harry
meets
meets
anti
anti
-
-
Alien
Alien
…
…
• Réalisons l’expérience suivante : chacun bombarde une cible
avec ce qui est pour lui des “protons” de haute énergie
(en fait des antiprotons s’il est fait d’antimatière).
• Dans les particules produites, on ne garde que celles qui ont à
peu près 50% de la masse du proton.
• Un sur deux de ces kaons se désintègre de façon très lente.
• Dans ses produits de désintégration, voit-on un excès de
positrons
ou un excès
d’électrons
?
Le physicien des particules: “Etudions les désintégrations de la
particule
kaon neutre
”
- 1/2 m
p
neutral
“proton”
Une dissymétrie matière-antimatière
Le kaon neutre peut osciller entre matière et antimatière :
En fonction du temps, on peut comparer :
matière
→
antimatière
:
→
→
antimatière
→
matière
:
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T24
K
0
K
0
K
0
K
0
K
0
K
0
CPLEAR étiquette les K et les K
0
K
K
0
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T25
K
0
p
p
+
→
+
K
–
+
π
+
p
+
→
+
K
+
+
π
–
p
K
0
Instant 0 :
annihilation
p
→
ou
p
K
0
K
0
0
0
Instant
t
:
ou se désintègre :
K
0
K
0
K
0
0
K
→
π
+
+
e
–
+
ν
e
K
0
→
π
–
+
e
+
+
ν
e
K
0
Le hall expérimental de LEAR
Photo CERN
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T26
Le détecteur CPLEAR
π
+
π
+
K
–
e
–
+
–
cible
La collaboration CPLEAR : 100 physiciens de 9 pays
Portugal, Slovénie, Suède, Suisse
États-Unis, France, Grande Bretagne, Grèce, Pays-Bas,
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T27
p
K
0
K
0
Le résultat de CPLEAR
Les processus microscopiques ne sont pas
réversibles
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T28
t
A
T
Asymétrie
A
T
= 0,0066 ± 0,0013
stat
± 0,0010
syst
BABAR Detector
DIRC
(PID)
144 quartz
bars
11000 PMs
1.5T
solenoid
EMC
6580
CsI(Tl) crystals
D
rift
C
hamber
40
layers
I
nstrumented
F
lux
R
eturn
iron / RPCs (muon / neutral hadrons)
S
ilicon
V
ertex
T
racker
5
layers, double sided
strips
e
+
(3.1GeV)
e
-
(9GeV)
Un 2ème example d’asymétrie
matière-antimatière
• Produire des mésons et
antimésons B mesons
• Compter les
désintégrations en paires
K
π
pairs (kaon + pion)
• Même charge pour le
kaon le plus courant que
pour les "électrons" des
atomes de
l'observateur ?
• "Oui" : alors vous êtes
constitués d'antimatière
• Demi-tour !
Désintégration
de la matière
• On a classifié les constituants de la matière en
quarks et leptons.
• Indications qu’il existe un «passage» entre eux
(charge électrique identique, convergence des
forces d’interaction)
• L’unification des forces prévoit des modes de
désintégration du proton et du neutron
• Exemple: p
→
e
+
+
π
°
• La « matière » se désintègre en « antimatière » !
Désintégration
de la matière
• Convergence des forces
d’interaction)
• L’unification des forces
prévoit des modes de
désintégration du
proton et du neutron
(lié) car elle autorise
par nature des
passages
entre quarks et leptons
Unification des forces
• Convergence des forces
d’interaction)
• Pour obtenir au moyen
d’un accélérateur
l’énergie nécessaire à
l’unification des forces
faible, forte et électro-
magnétique, il faudrait
un
accélérateur plus
grand que le système
solaire
Observer la désintégration de la matière
• Commencer par se
cacher sous une
montagne ou au
fond de la mer…
• …afin de se
protéger des
rayons cosmiques
(
≈
100 par seconde
dans votre corps au
niveau de la mer)
QuickTime™ et un
décompresseur TIFF (non compressé)
sont requis pour visionner cette image.
Observer la désintégration de la matière
• …puis regarder
pendant quelques
années toute
désintégration dans
quelques milliers de
tonnes de matière…
• …par exemple, les
50 000 tonnes d’eau
ultra-pure du
détecteur
Superkamiokande
au
Japon
Gravitation et antimatière…
• Dans la théorie d’Einstein de la gravitation, la trajectoire
d’une particule est complètement déterminée par sa position
et sa vitesse et par la géométrie de l’espace là où elle se
trouve (
principe d’équivalence
)
• De ce fait, il
semble
donc totalement
impossible que la
gravitation permette de distinguer matière d’antimatière
…
Des trous « noirs » qui ressemblent
fort à des particules
• Quand un objet
s’effondre en un trou
noir en ayant un
mouvement de
rotation, il prend une
forme annulaire, et
non pas ponctuelle
comme on pourrait le
supposer.
• Que se passe-t-il
quand on traverse
l’anneau ?
Des trous noirs qui ressemblent
fort à des particules
• Quand on traverse
l’anneau d’un trou
« noir » chargé, sa
charge change de signe
• La
masse
gravitationnelle change
également de signe
• Un
électron
apparaît de
l’autre côté de l’anneau
comme un
positron
répulsif
gravitationnellement
• Comment les 2 espaces
communiquent-ils ?
Deux espaces conjugués
• Comment les 2 espaces
communiquent
-ils ?
• Ils voient
le même objet
avec une
charge
et une
masse gravitationnelle
opposées
• Les objets ne
disparaissent pas quand ils
passent de l’autre côté du
« trou de ver »
• Dans plusieurs cas
simples, on peut montrer
qu’il
existe effectivement
des points « conjugués »
Exemples de stigmatisme
• Situations où un objet nous trompera sur la position où il se
trouve réellement:
– Points conjugués sous un dôme
– Destruction des calculs rénaux à distance par une source
d’ultrasons en un point conjugué
En gravitation, les situations d’amplification infinie
sont monnaie courante (génériques)
On trouve toujours des situations où la magnification d’une étoi
On trouve toujours des situations où la magnification d’une étoi
le (augmentation de son éclat)
le (augmentation de son éclat)
devient infinie. L’étoile apparaît alors infiniment plus proche
devient infinie. L’étoile apparaît alors infiniment plus proche
qu’elle ne l’est réellement.
qu’elle ne l’est réellement.
Explication naturelle
ρ
Λ
apparent
≈
2
ρ
m
• Dans un univers symétrique matière-antimatière, où particules et
antiparticules se repoussent, on observe une répulsion gravitationnelle à
grande distance que l’on peut interpréter comme une constante cosmologique
de densité
ρ
Λ
≈
ρ
m
(ce qui semble bien être le cas dans les observations de
supernovae SN1a)
• En effet: dans l'hypothèse
Λ
≠
0, le paramètre de décélération
q
(où
a
est le
facteur d’échelle) dans un univers où la matière domine le rayonnement, avec
p
≈
0 (dust), s’écrit :
• Un univers symétrique matière-antimatière telle que défini ci-dessus vérifie
en 1ère approximation
Ω
≈
0
q
≡ −
a
¨
a
a
2
.
=
1
2
Ω
M
− Ω
Λ
Explication naturelle de
ρ
“
Λ
”
≈
2
ρ
m
• Ajustement univers vide
proche du meilleur
ajustement des données
A. G. Riess et al.
astro-
ph/0402512
Tests expérimentaux:
peser l’antimatière
• Peser un antiproton ou un positron : énorme problème des
champs électriques résiduels
• Gravité
≈
10
-7
V/m pour antiproton,
qqs 10
-11
V/m pour un électron …
• Expérience historique de Witteborn et Fairbank (électrons)
complètement fausse
• Peut-être possible pour des antiprotons froids en utilisant
l’électronique quantique (Single Electron Transistor):
V. Bouchiat, G. Chardin, M.H. Devoret and D. Estève,
Hyperfine
Interactions
109
(1997) 345
• Peser le positronium e
+
e
–
grâce à une source refroidie:
A.P. Mills, M. Leventhal, NIM B
192
(2002) 102
• Peser l’antihydrogène auprès du AD au CERN
J. Walzl et T.W. Hänsch,
Gen. Relat. and Grav.
36
(2004) 561
À champ magnétique constant,
la fréquence de rotation
varie comme
1/M
G. Gabrielse
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T18
Des antiprotons en bouteille
masse de
p
≡
masse de ?
p
1999
CERN
= 1,000 000 000 09
± 0,000 000 000 09
M
(
p
)
M
( )
p
-U
-U
B
p
Un sujet d’étude pour les physiciens
En fabriquant des antiatomes
d’hydrogène : 1995-2002…
En remplaçant un électron
par un antiproton : 1990…
e
–
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T22
e
–
e
–
e
–
e
–
p
p
+
e
–
e
+
p
Quelques références
• G. Chardin, L’antimatière, Flammarion, 1996
• G. Chardin,
Hyperfine Interactions
109
(1997) 83
• G. Chardin,
AIP Conf. Proc.
643
(2002) 385
• H.I. Arcos and J.G. Pereira, hep-th/0210103
• A. Burinskii,
Phys. Rev.
D
52
(1995) 5826;
Phys. Rev.
D
57
(1998) 2392
• B. O'Neill, "The geometry of Kerr black holes", (A. K. Peters,
Wellesley, Massachusetts, 1995)
• Matt Visser, "Lorentzian wormholes: From Einstein to
Hawking", (Springer, New York, 1995), notamment chapitre 7
• B. Carter,
Phys. Rev.
141
(1966) 1242
• B. Carter,
Phys. Rev.
174
(1968) 1559
Conclusions
• L’antimatière apparaît comme la “matière qui remonte le
temps” en théorie des champs et en Mécanique Quantique
• Il semble exister des voies de passage (grande unification,
gravitation) entre matière et antimatière
• La relativité générale présente des propriétés de
renversement de charge et du temps qui évoquent très
fortement la transformation matière-antimatière
• Une particule d'antimatière en un point P pourrait n’être
l'image renversée dans le temps (et renversée de charge)
d'une particule située en un point conjugué P*
• La symmétrie entre matière et antimatière serait restaurée
• L’antigravité semble permettre une
explication élégante de la
valeur de la gravité répulsive
observée dans les observations
cosmologiques (et sans doute également de la violation de CP…)