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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 ?
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T2
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
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T3
Petite histoire de l’antimatière
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T4
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…
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 massemême durée de vie
charge opposéeetc.
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T6
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
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T7
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)
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T8
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
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T9
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
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T10
–
+
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
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T11
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
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T12
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
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T14
Étude du fonctionnement du cerveau
Lecture
Écoute
La lecture et l’écoute ne font pas travailler les mêmes zones du cerveau
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T15
Un outil pour les physiciens
Des collisionneurs pour la physique grâce à l’antimatière
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T16
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
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T17
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
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T18
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
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T19
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
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T20
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
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T21
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
À la découverte de l’antimatière
1932 e+ Rayons cosmiques
Antinoyaux
26 ansAntiatomes
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T23
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 :
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T24
K0
K0K0
K0
K0K0
CPLEAR étiquette les K et les K
0K
K0
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T25
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
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T26
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,
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T27
p
K0K0
Le résultat de CPLEAR
La matière l’emporte sur l’antimatière
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T28
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 :
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T29
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
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T30
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 :
CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T31