Où est passée lantimatière ? CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T1

Où est passée l’antimatière ?

CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T1

L’antimatière

• Qu’est-ce que la matière ?

• Pourquoi de l’antimatière ?

• Où et comment produit-on de l’antimatière ?

• Que faire avec de l’antimatière ?

• Et notre Univers ?


Qu’est-ce que la matière ?

Photo CERN

nombre de protons du noyau = nombre d’électrons de l’atomecaractérise l’élément chimique

un élément peut avoir plusieurs isotopes qui différent par le nombre de neutrons de leur noyau


Petite histoire de l’antimatière


1929 : Dirac

Électromagnétisme

électron

Maxwell

relativiste

1906 : Einstein

Relativité restreinte

avec spin

1926 : Schrödinger

Mécanique Quantique

L’équation de Dirac a 2 solutions ! l’électron????

Que signifie la deuxième solution ?

Problème…


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 massemême durée de vie

charge opposéeetc.


électron e–

proton p+

neutron n

photon

+ –

e+ positron

antiproton

antineutron

photon

p–

n

Comment fabriquer de l’antimatière ?

Matérialisation

E = M c 2

Collision énergie matière + antimatière


La masse du proton = 2000 fois la masse de l’électron

énergie 2000 fois plus grande pour créer p +

que pour créer e– + e+

p

À la découverte de l’antimatière

1932 e+ Rayons cosmiques 23 ans

1955 Berkeley (USA)

1956 Berkeley (USA)


Antinoyaux9 ans

p

n

1965 ( + ) Brookhaven (USA)np2H

1970 ( 2 + ) Serpukhov (URSS)

np3He

( + 2 ) Cern (Europe)np3H

Que devient l’antimatière ?

Annihilation

M c 2 = E

à l’arrêt :

matière + antimatière énergie


e– + e+ 2 p + . . . . des p

De l’antimatière dans la radioactivité

oxygèneazotecarbone

sodiumnéonfluor

neutrons

11

10

9

8

7

6protons6 1211109875 13

23

1916 1715

13121114 1513

2120 222018

18

proton neutron + positron e+ + neutrino

neutron proton + électron e- + antineutrino

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–

+

Principe de l’imagerie médicale

11C 13N 15O 18F 55Co 76Br

Qui ont des demi-vies de quelques heures

Production d’isotopes radioactifsavec un cyclotron

Exemple : Fluoro Deoxy Glucose avec 18F(demi-vie 110 minutes)

Préparation d’un composé chimique adapté

Injection du composé radioactif par voie intraveineuse


18F e+

La tomographie par émission de positrons

Prototype développé au CEA en 1983 (LETI- CEA)

e–

e+ + e– 2 de 511 keV dos à dos Couronne de détecteurs

+ coïncidence


Détection de tumeurs cancéreusesP

hoto

s Io

wa

P.E

.T. I

mag

ing

Cen

ter

Avant traitement

Maladie de Hodgkin chez un homme de 35 ans

Un mois après la fin

de la chimiothérapieCNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T13

Étude de la maladie de Parkinson

Le traceur au fluor 18 ne se fixe pas car la maladie de Parkinson a fait disparaître les neurones dopaminergiques

les neurones dopaminergiques augmentent

3 mois 6 mois 12 moisaprès une greffe


Étude du fonctionnement du cerveau

Lecture

Écoute

La lecture et l’écoute ne font pas travailler les mêmes zones du cerveau


Un outil pour les physiciens

Des collisionneurs pour la physique grâce à l’antimatière


Particule cible énergie disponible

300 GeV24,5 GeV

Particule antiparticule énergie disponible 600 GeV300 GeV 300 GeV

Découvertes par collisionsmatière-antimatière

CERN

Linac

AA

Cible

Source

Protons

Antiprotons

PSB1 GeV/c

PS25 GeV/c

SPS300 GeV/c

LEAR100 MeV/c

3,5 GeV/c

C. Rubbia S. Van der Meer


p

e–e+

1995 Fermilab

W+

W– 90 GeVZ0

1983 CERN

quark top 175 GeV

p

(1999) CERNRecherche du Higgs2001 Japon et USAViolation de CP dans Bd

0

À champ magnétique constant, la fréquence de rotation varie comme 1/M

G. Gabrielse


Des antiprotons en bouteillemasse de p masse de ?

p

1999 CERN = 1,000 000 000 09

± 0,000 000 000 09

M (p)M ( )p

-U

-UB

p

De l’énergie avec de l’antimatière ?

Conversion masse énergie TRÈS TRÈS efficace

30 000 000pannihilation

200 000Hedd

fusion

O2

H2

H2Ochimique 1

235U 30 000fission


p

De l’antimatière pour quoi faire ? (1)

• 100 000 ans pour les fusées

• 100 000 000 ans pour les armes

MAIS Production très lente

• des microgrammes pour les fusées : réaliser des missions impossibles telles que Terre - Centre Galaxie

Carburant ultraléger

• des milligrammes pour des armes très puissantes


De l’antimatière pour quoi faire ? (2)De l’électricité ?

Pour fabriquer les antiprotons,100 millions de fois plus d’énergie dépensée que récupérée

Production très coûteuseStockage difficile et dangereux

Pas rentable du tout !

Un sujet d’étude pour les physiciens…

Soigner avec des antiprotons au lieu des protons ?Annihilation des antiprotons action très localisée vérification du point touchéPossible mais coûteux


Un sujet d’étude pour les physiciens

En fabriquant des antiatomes d’hydrogène : 1995-2002…

En remplaçant un électron par un antiproton : 1990…

e–


e–e–

e–e–

p

p+ e– e+

p

À la découverte de l’antimatière

1932 e+ Rayons cosmiques

Antinoyaux

26 ansAntiatomes


2002 antihydrogène ( e+) au repos CERN (Europe)p

1996 antihydrogène ( e+) rapide CERN (Europe)p

23 ans

1955 Berkeley (USA)p

1956 Berkeley (USA)n

1965 ( + ) Brookhaven (USA)p n2H

( + 2 ) CERN (Europe)p n3H

1970 ( 2 + ) Serpukhov (URSS) p n3He

Une dissymétrie matière-antimatière

Le kaon neutre peut osciller entre matière et antimatière :

En fonction du temps, on peut comparer :

matière antimatière :

antimatière matière :


K0

K0K0

K0

K0K0

CPLEAR étiquette les K et les K

0K

K0


K0pp + + K– + +

p + + K+ + –p K0

Instant 0 :annihilation p ou p K0K0

0 0

Instant t : ou se désintègre : K0K0

K0

0K

+ + e– + eK0

– + e+ + eK0

Le hall expérimental de LEAR

Photo CERN


Le détecteur CPLEAR

+

+

K–e–

+

–

cible

La collaboration CPLEAR : 100 physiciens de 9 pays

Portugal, Slovénie, Suède, Suisse

États-Unis, France, Grande Bretagne, Grèce, Pays-Bas,


p

K0K0

Le résultat de CPLEAR

La matière l’emporte sur l’antimatière


t

AT

Asymétrie AT = 0,0066 ± 0,0013stat ± 0,0010syst

Et notre Univers ?

matière + antimatière énergie

Autour de nous, Dans notre galaxie, Dans les autres galaxies, Dans notre Univers,

On ne voit pas de signalant une frontière avec de l’antimatière

Au moment du big-bang : énergie matière + antimatière

Ensuite :


Qu’est devenue l’antimatière ?

Production d’un léger déséquilibre :1 000 000 000antiprotonsou antineutrons… 1 000 000 001protonsou 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


quarks et antiquarks se désintègrent ex. p 2 e+ + e– 2 e– + e+

théories de grande unificationp

Et si un extra-terrestre venait…Il veut atterrir, nous serrer la main, boire du champagne…Que répondre ?

vérifier qu’il ne vient pas d’un monde d’antimatière !Malgré sa gentillesse apparente, ne pas l’inviter sans

Car sinon :


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