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A. Bay Mai 2002
Antimatière
Antiparticules Antimondes
Matière
antiparticules et antimondesl'antimatière dans le laboratoire et dans
l'Univers
Introduction: les symétries
Prédiction théorique et observation des antiparticules
La production d'antiHydrogène au CERN
Utilisation des antiparticules:la tomographie par émission de positonsles moteurs à antimatière
A la recherche des antimondes, un peu de Cosmologie
les symétries syn-: ensemble
metron : mesure
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MUSEE ROMAIN DE NYON
? Bacchus ou Ariane ?
une symétrie binaire partielle au temps des Romains…
Que signifie "symétrique"…
… 6 configurations
Que signifie "symétrique"…
un nombre infini de possibilités !
Les choses deviennent esthétiquement plus intéressantes quand la configuration
n'est pas "trop" symétrique.
Cela est aussi vrai dans le monde sub-microscopiquedes particules élémentaires !
GG DD
GD
Amalie (Emmy) Noether
La physique des particules d'aujourd'hui est basée sur les travaux de
En 1915 elle montre que:
A toute symétrie des lois dela physique, on doit pouvoir associer
une loi de conservation et réciproquement.
voir http://www.emmynoether.com
Invariance par translation Conservation de la quantitéde mouvement
Invariance de jauge Conservation de la charge
La matière est constituée d ’atomes,
les atomes contiennent le noyau
formé de protons et de neutrons
autour duquel orbitent les électrons
Le modèle atomique en ~1930
Dans le modèle atomique, les électrons de charge négativesont attirés par le noyau de charge positive:la cohésion de l'atome est due à la force électromagnétique.
Genèse du concept d ’antiparticule
(iγμ∂μ −m)Ψ =0
Paul A. M. Dirac
E =mc2
Albert Einstein
E =hν
Max Planck
En 1927 Dirac cherche à marier la théorie de la relativité et la théorie quantique
L'équation de Dirac
(iγμ∂μ −m)Ψ =0la solution de cette équation comporte 2 composantes:
mais que représente l ’autre composante…?
la première permet de décrire l ’électron… de charge
Dirac postule que la seconde composante décrit une particule similaireà l ’électron, mais de charge + … mais laquelle ? En 1927 la seule particule positive connue était le proton.
Origine des deux solutions:
Energie cinétique classique: E = mv2/2 = p2/2m
Th. de la relativité: un corps de masse m possède
une énergie au repos E = mc2
Corps en mouvement: on ajoute une partie cinétique
et on obtient l'équation E2 = m2c4 + p2c2
2 solutions pour E:
€
E=± m2c4+p2c2
… une énergie<0 ??? Dirac cherche une échappatoire à ce piège algébrique…!
Il introduit la notion - improbable - de mer d'électronsd'énergie négative dans lequel des trous peuventse former. Ces trous se comportent comme des particulesde charge + et d'énergie positive.
E>0
E<0
électron
proton ?
Le "trou" peut-il représenter le proton ?
En 1930 la question était désormais expérimentale:est-ce que la deuxième composante de l'équation de Diraca une réalité physique ou bien est-elle un phantasmede théoricien ? Où aller chercher ces antiparticules ?
non: il apparaît rapidement que la deuxième composantedans l'équation de Dirac doit représenter un objet demême masse que la première.
La solution viendra de Oppenheimer, Stückelberg et de Feynman: il remplacent les particules E<0 par d'autres (anti)particules de charge opposée, E>0
Particules Antiparticules
positon charge électron charge
Pour produire un couple électron-positon ilfaut disposer d’une
ENERGIE > 2 m c2
particules et antiparticules ont des charges opposées etune même masse m !
miroir « de charge »
positon et électronse matérialisent
rayon gamma
La découverte du positonles antiparticules des électrons, nommées positons, ont étéobservées au CAL-Tech par C. D. Anderson en 1932.
positon électron
Le détecteurBEBC du CERN
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BEBC au Cern
particule & antiparticule
Quand un électron rencontre un positon, il y a
ce sont deux rayons “gamma” d ’énergie >mc2 chacun,que l’on peut observeravec des détecteurs
annihilation
et on récupère l’énergie E= 2 m c2
L'annihilation d'un couple
e+ + e —>
Découverte des antiparticules
1932 positon dans les rayons cosmiques (Anderson et al.)1947-1956 Kaon / antiKaon1955 antiproton (Bevatron de Berkeley, Chamberlain et al.)1956 antineutron (idem)1950-1960 neutrino/antineutrino…
Plusieurs substances radioactives sont émettricesde positons (en médecine on utilise l' O15, le F18…)
Le modèle standard des particules
νe νμ ντ
e− μ− τ−
u c t
d s bQuarks
FORTE
ELECTRO-MAGNETIQUE
FAIBLE
INTERACTIONSMATIERE
La GRAVITE affecte toutes les particules.
A chaque particule, on associe une antiparticuleélectron e− → positon e+ ν →ν u→u ...
Charge [e]0
−1
2/3
−1/3
Antiprotons et antineutrons dans le modèle des quarks
u
dNEUTRON: dd
uuPROTON:
d
NEUTRON:d
du
PROTON:d
uu
Protons et neutrons sont constitués de 3 quarksAntiprotons et antineutrons de 3 antiquarks
€
23 + 23 − 13 = +1
€
−23 − 23 + 13 = −1
Q=+1
Q=-1Q=0
Q=0
miroir de charge
Est-ce que l'on peut assembler des antiparticules pour former des
antiatomes
Prochaine question: l’antiH est-il stable et peut-il former des antiétoiles?
p. ex. de l'antiHydrogène ?
La formation d ’antiHydrogène
nécessite la production...
...d ’un antiproton … d’un positon
…. et leur assemblage
pour l'assemblage, antiproton et positon doivent voyager lentement
faisceau de p
anneaud’accélération p rapides
p = protons (noyaux d’hydrogène)
ciblesélectiond’anti-p
freinagedes anti-p
expériences
beaucoup de particulesaprès le choc
Production d ’antiprotons lents
Production d’antiprotons lents au CERN
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accélérationde protons
production etsélection d ’antiprotons
AD: freinage des antiprotons
utilisation
production 2
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Production de l’antiHydrogène
Les aimants de l’AD
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Assemblage del’antiHydrogène
dans des pièges de Penning
piège à anti-p
piège à positons
région derencontre
entrée desantiprotons
entrée despositons
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antiH
On a été capable de créer des atomes d ’antiH
Des études vont se poursuivre pour en étudier les propriétés
• Est-ce que les masses de l ’H etde l ’antiH sont identiques ?• Les spectres sont-ils égaux ?
• Production et étude d' antiH2
• Production et étude d' antiD . . .…
Quels sont les usages des antiparticules ?
1) Aujourd’hui: utilisation en imagerie médicale
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2) A l ’étude: utilisation dans lestockage de l'énergie, pour les voyages dans l’espace, …
Petite pause technologique…
Tomographie par émission de positons
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Tomographie par émission de positons
On injecte une substance métaboliquement active émettrice des positons
La substance se concentredans certaines régions ducorps (tumeurs, régionsdu cerveau actives,…)
Les positons s ’annihilentavec les électrons de lamatière. Deux rayons
gamma sont émis et observéspar des détecteurs de
particules
détecteurs de particules
gamma
gamma
Isotopes pour TEP
La tomographie par émission de positons
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lire des mots surun écran
entendre des mots
permet d ’étudier le comportement du cerveau
La tomographie par émission de positons
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permet de diagnostiquer des tumeurs
La tomographie positons permet de créer des
images 3D
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de suivrel’évolutiontemporelledu métabolismed’une substance
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Poids total 2950 tonnes
Premier étagePoids combustible 2150 tonnesPoussée (intensité de la force) 3300 tonnes
3300 > 2950 donc la fusée se soulève
Vitesse de combustion (durée 160 s) 13 tonnes/secVitesse éjection 2.8 km/s
Le rendement est donné par l’Impulsion spécifique = Poussée / V.combustion = 253 secet aussi par (poussée/poids total) = 3300/2950 , environ 1
Les voyages dans l ’Espace le bon vieux SATURNE V:
voyages interplanétaireset pré-interstellaires
seuleseulel'annihilation matière avec l’antimatièrel'annihilation matière avec l’antimatière aurait les qualités nécessaires pour desaurait les qualités nécessaires pour des
……donc, un moteur à antimatière ? donc, un moteur à antimatière ?
type de propulsion impulsion spec. poussée/poidschimique 200-400 0.1 - 10fission nucléaire 500-3000 0.1 - 10fusion nucléaire 10 4 - 10 5 10 5 - 10 2
annihilation 10 3 - 10 6 10 3 - 1
Le moteur à Le moteur à antimatièreantimatière
On produit (sur Terre) une certaine quantité d’antiprotons.On les introduit dans un réservoir: prototype: HIPAT High Performance Antimatter Trap
Le plasma est expulsé àgrande vitesse.
Les antiprotons entrent progressivement en collision avecdes pastilles de HLi et provoquent des miniexplosions avecgénération de plasma chaud.
prototype HIPAT Pennsylvania State University
stockage de 109
antiprotons
ICAN II
Antimatière pour les projets dans l'Espace
V km/s
Masse
g
1 g
production d'antiprotons
Le rendement de la production d'antiprotonsaugmente d'un facteur 10 chaque 2.5 ans.
1 g/an
mp = 1.67 10-24 g
1955 2010
Des réservoirs d'énergie à antiparticules ?
Los Alamos
R&D dans la production, stockage et utilisation de l'antimatière
NASA SBIR Phase II: Construction of a High Efficiency AntiprotonDegrader/Accumulator to Support Advanced Propulsion Research…By the end of the project, we intend to provide a potentially commercial sourceof low energy antiprotons in portable traps to the research community.
USAF BAA Award: storage of 1015 positrons for Earth-to orbit propulsion
Des étoiles et galaxies pourraient exister, formées d’antimatière...
Y a-t-il des mondes faits d’antimatière ?
Recherche de l ’antimatière antiHe, antiLi,…dans les rayons cosmiques
Les rayons cosmiques sontdes particules qui proviennent duCosmos et qui tombent sur la Terre,à tout moment …
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On recherche de l’antimatièredans l ’espace proche ...
…on recherche l'antimatière dans l'espace éloigné
… très éloignéSatellites et télescopes observent le cielà la recherche d ’un signal d ’annihilation quiserait dû à la rencontre fortuite de matière et antimatière...
P + P -> gammas + …e+ + e- -> gammas +…
Dans les deux cas il faut expliquer comment on a puformer un Univers uniquement de matière (cas a) oudes îlot avec une unique espèce (b).
Cela implique qu'il existe un mécanisme desélection entre les deux espèces:
MATIERE ANTIMATIERE
… jusqu ’à présent: aucun signal reçu du Cosmos.
?
On a deux possibilités:a) il n'y a plus d'antimatière du tout dans l'Universb) des régions de matière et d'antimatière existentmais elles ne sont plus en contact
Observation: l'antimatière a disparu
On pense qu ’il y a 15 milliards d ’années le Big BangBig Bang a formél’Univers à partir d ’une soupe très chaude et dense composée d'un nombre identique de
On doit en conclure qu'une légère asymétrie s’est donc manifestéejuste après le Big Bang qui a permis aux particules de devenirtrès légèrement plus abondante que les antiparticules.Il nous suffit d'un excès d'une particule sur un milliard ! 1000000001 pour 1000000000
particules et d' antiparticules
! Zoom sur le Big Bang !! Zoom sur le Big Bang !L ’Univers contient aujourd’hui
un peu de matièrematière et beaucoup de
lumièrelumière !
la gravitation a finalement assembléla matière en étoiles et galaxies…
un fond de radiation "fossile" ayant une température de 2,7
°K
… la lumière issue de la bataille entre matière et antimatières'est refroidie au cours des millénaires. Aujourd'hui on observe
Température du ciel mesurée par COBE +0.27 °K-0.27
Variation de T sur 10° : ~30 micro°K
Quelle est l'origine de l'asymétrie cosmologique ?
Les symétries P, C et T
P gauche droite
C particule antiparticule
T inversion temporelle
Le monde chimique est symétrique par P
H3C COOH
H
OHH3C
H
COOH
OH
M
Dans un laboratoire de chimie, on synthétise autant de ces molécules "gauches" que "droites" (mélange racémique:)
N individus "gauches" = N individus "droites"
⇒ la synthèse de l'acide lactique respecte la - .symétrie gauche droite
Le monde biologique est fortement asymétrique GD
(Nombre de droitiers) (N gauchers)
(Nombre de droitiers)(N gauchers)Asymétrie =
Exemple: Individus droitiers et gauchers, chez l'homme:
(90 - 10)/(90+10) = 80% en faveur de D
Mélange NON racémique,
La race humaine n'est pas symétrique par P.
.
Les tire-bouchons ont (normalement) une hélicité droite
Le monde biologique est fortement asymétrique GxD
Le camphre synthétique est racémique. Le "camphrier du Japon" produit seulement du D.
Le parfum du citron et del'orange est dû au "limonène".Dans un cas G, dans l'autre D.
snif snif
L'observation de la violation de la Parité en 1956 par C. S. Wu et al. a bouleversé la
physique
Quand les particules interagissentpar l'interaction faible, elles ne respectent pas toujours les symétries P, C et T !
Le neutrino est une particule exclusivement "gauche",l'antineutrino est "droit"
ν droit
ν gauche
P
P est violée à 100%(G - D) / (G + D) = 1
Corollaire: C est aussi violée
ν gauche
C
ν gauche−
C(particule) = antiparticule
miroir « de charge »
Qu'en est-il de la combinaison CP ?
ν gauche ν droit_
P C
Univers
Univers
"MIROIR CP"
Est-ce que CP est une symétrie exacte ? Non ! En 1964 - 67 on observe une
petite violation de CP
K0L
π−e+ν
π+e−νMIROIRCP{
.CP implique un même taux dans les deux voies
K0L ...est sa propre antiparticule
K0L
π+e− ν Nombreπ− e+ ν Nombre -π+ e− ν Nombreπ− e+ ν Nombre + ≈ 0.3%
Le système des Kaons neutres a été longtemps le seul exemple de violation de CP.
La compréhension de CP est fondamentale pour la physiquedes particules mais aussi pour la Cosmologie:Les 3 règles de A. Sakharov pour que le Big Bang produiseun Univers fait de matière exclusivement sont:
1) les symétries C et CP doivent être violées2) Le nombre baryonique est aussi violé3) L'Univers est hors équilibre
CP est un des mystères les plus profonds de la physique.Plusieurs expériences ont été, sont et seront consacrées à son étude.
En 2001 les expériences BaBar et Belle ont annoncé la découverte de la violation
de CP dans les mésons B neutres.
Belle au Japon
BaBar au USA
belle
Les européens: Frankfurt Lausanne Ljubljana Moscow Vienna
"Petite" collaboration ~200 physiciens
Après quelques hésitations, Lausanne a été placée juste !
Le programme se poursuivra au CERN...
0000
Conclusion1930: l'hypothèse courageuse de Dirac est confirméeexpérimentalement et ouvre la boîte de Pandore Aujourd'hui, l'antimatière fait partie de la routineen médecine.Elle représente aussi un espoir de réaliser lacolonisation du système solaire, et au delà, …
L'asymétrie matière-antimatière joue un rôle essentielen Cosmologie. C'est un sujet d'intense attaquethéorique et expérimentale en Physique des
particules.
Animations AD et dessins: CERN, SLAC, KEKAnimations PET: B. Tavitian, Orsay et PSI.ICAN, HIPAT sont des projets NASA et PennState UniversityIPHE, Lausanne, May 2002
(iγμ∂μ −m)Ψ =0
Fin…