Nous expliquons ce qu’est l’antimatière, comment elle a été découverte, ses propriétés, ses différences avec la matière et où elle se trouve.
Qu’est-ce que l’antimatière ?
En physique des particules, le type de matière constitué d’ antiparticules , plutôt que de particules ordinaires , est appelé antimatière . C’est un type de matière plus rare .
L’antimatière est très similaire à la matière ordinaire, la seule différence réside dans la charge électrique des particules et dans certains nombres quantiques. Ainsi, un antiélectron, aussi appelé positron, est l’antiparticule de l’électron, qui a les mêmes propriétés sauf la charge qui est positive. Les antineutrons, quant à eux, sont neutres (comme les neutrons) mais leurs moments magnétiques sont opposés. Enfin, les antiprotons diffèrent des protons en ce qu’ils ont une charge négative.
Lors de leur interaction, l’antimatière et la matière s’annihilent après quelques instants, libérant d’énormes quantités d’ énergie sous forme de photons de haute énergie (rayons gamma) et d’autres paires de particules élémentaires particule-antiparticule.
Dans les études de physique , les particules et les antiparticules sont distinguées en utilisant une barre horizontale (macron) sur les symboles correspondant au proton (p), à l’électron (e) et au neutron (n).
Les atomes constitués d’antiparticules n’existent pas naturellement dans la nature car ils s’annihileraient avec la matière ordinaire. Seule une très petite quantité a été créée avec succès dans des expériences visant à former des anti-atomes.
Voir aussi: Modèles atomiques
Découverte de l’antimatière
L’existence de l’antimatière a été théorisée en 1928 par le physicien anglais Paul Dirac (1902-1984) lorsqu’il entreprit de formuler une équation mathématique qui combinerait les principes de la relativité d’Albert Einstein et ceux de la physique quantique de Niels Bohr.
Ce travail théorique ardu a été résolu avec succès et de là la conclusion a été obtenue qu’il devait y avoir une particule analogue à l’électron mais avec une charge électrique positive . Cette première antiparticule s’appelait l’antiélectron et on sait maintenant que sa rencontre avec un électron ordinaire conduit à une annihilation mutuelle et à la génération de photons (rayons gamma).
Dès lors, il était possible de penser à l’existence d’antiprotons et d’antineutrons. La théorie de Dirac a été confirmée en 1932, lorsque des positrons ont été découverts dans l’interaction entre les rayons cosmiques et la matière ordinaire.
Depuis lors, l’annihilation mutuelle d’un électron et d’un antiélectron a été observée. Leur rencontre constitue un système connu sous le nom de positronium, avec une demi-vie jamais supérieure à 10 -10 ou 10 -7 secondes.
Plus tard, à l’accélérateur de particules de Berkeley (Californie, 1955), il a été possible de produire des antiprotons et des antineutrons au moyen de collisions atomiques à haute énergie, selon la formule d’Einstein de E = mc 2 (l’énergie est égale à la masse multipliée par la vitesse de la lumière au carré) .
De même, en 1995, le premier anti-atome a été obtenu grâce à l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN). Ces physiciens européens sont parvenus à créer un atome d’antimatière d’hydrogène ou d’antihydrogène, constitué d’un positon en orbite autour d’un antiproton.
propriétés de l’antimatière
Des recherches récentes sur l’antimatière suggèrent qu’elle est aussi stable que la matière ordinaire. Cependant, ses propriétés électromagnétiques sont inverses de celles de la matière .
Il n’a pas été facile de l’étudier en profondeur, compte tenu des coûts monétaires énormes de sa production en laboratoire (environ 62,5 milliards de dollars par milligramme créé) et de sa très courte durée.
Le cas le plus réussi de création d’antimatière en laboratoire a duré environ 16 minutes . Malgré tout, ces expériences récentes nous ont permis de comprendre que la matière et l’antimatière pourraient ne pas avoir exactement les mêmes propriétés.
Où trouve-t-on l’antimatière ?
C’est l’un des mystères de l’antimatière, pour lequel il existe de nombreuses explications possibles. La plupart des théories sur l’origine de l’ univers admettent que des proportions égales de matière et d’antimatière existaient au début .
Cependant, à l’heure actuelle, l’univers observable semble être composé uniquement de matière ordinaire . Les explications possibles de ce changement renvoient à des interactions de la matière et de l’antimatière avec la matière noire , ou à une asymétrie initiale entre la quantité de matière et d’antimatière produite lors du Big Bang .
Ce que nous savons, c’est que des productions naturelles d’antiparticules ont lieu dans les anneaux de Van Allen de notre planète . Ces anneaux se trouvent à environ deux mille kilomètres de la surface et réagissent ainsi lorsque les rayons gamma frappent l’ atmosphère extérieure .
Cette antimatière a tendance à s’agglutiner, car il n’y a pas assez de matière ordinaire dans cette région pour s’annihiler, et certains scientifiques pensent que cette ressource pourrait être utilisée pour « extraire » l’antimatière.
A quoi sert l’antimatière ?
L’antimatière n’a pas encore beaucoup d’utilisations pratiques dans les industries humaines, en raison de ses coûts très élevés et de la technologie exigeante impliquée dans sa production et sa manipulation. Cependant, certaines applications sont déjà une réalité.
Par exemple, des tomographies par émission de positrons (TEP) sont réalisées, ce qui a suggéré que l’utilisation d’antiprotons dans le traitement du cancer est possible et peut-être plus efficace que les techniques actuelles avec des protons (radiothérapies).
Cependant, l’application principale de l’antimatière est comme source d’ énergie . Selon les équations d’Einstein, l’annihilation de la matière et de l’antimatière libère tellement d’énergie qu’un kilogramme de matière/antimatière s’annihilant serait dix milliards de fois plus productif que n’importe quelle réaction chimique et dix mille fois plus que la fission nucléaire.
S’il était possible de contrôler et d’exploiter ces réactions, toutes les industries et même les transports seraient modifiés. Par exemple, dix milligrammes d’antimatière pourraient propulser un vaisseau spatial vers Mars .
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