Mais où est passée l’antimatière ?

Le premier endroit connu, pour répondre à cette question, c’est bien dans le cerveau du physicien anglais Paul Dirac qui, en 1929, obtient une solution « bizarre » de l’équation (qui porte son nom maintenant) qu’il avait élaborée. Il cherchait à rendre compatible la toute nouvelle mécanique quantique et la relativité restreinte d’Einstein, et pour cela avait bâti une équation décrivant le comportement d’un électron ; et cette équation avait une autre solution, qui correspondait à un électron avec une énergie négative, ce qui ne pouvait être admis. Mais l’équation était si belle « que ça ne pouvait être faux », et Dirac a fini par proposer l’existence d’un électron positif (l’électron de la matière ordinaire a une charge électrique négative).

Bingo ! Trois ans plus tard, l’américain Anderson observait, dans les rayons cosmiques, un tel électron positif et le baptisait positron (que l’on traduisit positon en français). C’est donc dans les rayons cosmiques que l’on a trouvé les premières particules d’antimatière. Pourquoi « antimatière » ? Car ces particules sont les alter ego des particules composant notre matière, mais avec des charges opposées, de sorte que la réunion d’une particule et de son antiparticule voit toutes les charges s’annuler et peut se fondre en une particule de pure énergie comme les photons. L’antimatière est un ingrédient obligatoire pour transformer de l’énergie en matière, ou pour l’opération inverse, selon la formule d’Einstein. Mais plutôt que de parler de particules « opposées » ou « miroir », il est plus juste de parler de particules « complémentaires ».

On trouve donc des particules d’antimatière dans le rayonnement cosmique ; mais d’où viennent-elles ? La théorie du big bang, où tout serait créé à partir d’une « bulle d’énergie », implique qu’il s’est créé autant de matière que d’antimatière.

Y aurait-il des mondes, des galaxies d’antimatière ? Les observations du cosmos infirment cette idée, de sorte que la grande question de la cosmologie est en fait : où est passée l’antimatière ? Le peu d’antimatière observée dans les rayons cosmiques provient de l’interaction de particules de matière dans des accélérateurs cosmiques résultant, par exemple, de la chute vertigineuse de matière vers des trous noirs supermassifs, ou d’autres phénomènes cosmiques violents. Ce peu d’antimatière dans les rayons cosmiques continue à être scruté, par exemple dans l’expérience AMS installée dans la station spatiale ISS.

Le détecteur AMS dans l’ISS.
NASA, CC BY

Quand les physiciens créent de l’antimatière

Dès que les accélérateurs des physiciens l’ont permis, de l’antimatière a été créée dans les laboratoires, afin de l’étudier et la comprendre. Et ces accélérateurs ont permis, en bombardant des éléments avec des protons (qui sont le noyau de l’atome d’hydrogène) ou des neutrons, de créer des atomes radioactifs d’un type spécial, la radioactivité bêta-plus (β+). Ces atomes ont un noyau très riche en protons, et lors de leur désintégration émettent un positon : ils émettent de l’antimatière !

On a donc à disposition (mais à condition de les fabriquer) des sources de positons. Ces sources ont des durées de vie courtes, mais suffisantes pour envisager des applications. La première, développée dès les années 1960, est la tomographie par émission de positons, TEP, maintenant très utilisée dans l’imagerie médicale : les TEP-scan. C’est donc à l’hôpital que vous avez le plus de probabilités de trouver de l’antimatière !

PET scan.
Liz West/Flickr, CC BY

Dans cet examen, des atomes radioactifs de fluor-18 sont intégrés dans des molécules de sucre, qui sont injectées en solution au patient. Lorsque le fluor se désintègre, il émet un positon qui aussitôt s’annihile en donnant deux photons gamma que les détecteurs enregistrent. On peut ainsi visualiser où se concentre le sucre dans l’organisme : or les organes les plus consommateurs de cette énergie se trouvent être en particulier les cellules cancéreuses. L’oncologie est ainsi devenue le plus important utilisateur d’antimatière. Il faut aussi citer l’utilisation d’un autre élément radioactif β+, le sodium-22, mais cette fois pour des besoins plus industriels : l’analyse des rayonnements gamma émis lorsque les positons pénètrent dans certains matériaux (silicium, métaux, verres…) permet de déterminer le taux de porosité des surfaces à l’échelle nanométrique, ainsi que des connexions entre ces pores. C’est donc dans ces laboratoires d’analyses que l’on peut également trouver des positons.

Et bien entendu, les grands laboratoires de recherche continuent de fabriquer de l’antimatière, pour l’étudier. Dans la recherche sur les particules élémentaires, les expériences du grand accélérateur LHC du Cern à Genève étudient les propriétés de toutes les antiparticules et tentent de vérifier s’il n’y a pas des anomalies dans leur « complémentarité ». Par ailleurs le Cern dispose d’un anneau unique au monde destiné à ralentir des antiprotons créés à haute énergie. Ces antiprotons sont envoyés dans des expériences qui peuvent en faire des atomes d’antihydrogène, en leur associant un positon (produit séparément à l’aide de source de sodium-22). L’étude des niveaux atomiques de l’antihydrogène permet de tester l’universalité de l’interaction électromagnétique, prédite par les modèles actuels de la physique. Et depuis quelques années, trois expériences se sont lancées dans la mesure de l’effet de la gravitation terrestre sur ces antiatomes : une différence, même faible, violerait le principe d’équivalence d’Einstein, une des bases de la relativité, qui énonce que dans un champ gravitationnel la trajectoire d’un corps ne dépend pas de sa composition.

Les résultats à venir sont là aussi d’un intérêt cosmologique.

Enfin, l’antimatière fait rêver, et on la retrouve – de manière virtuelle – dans un certain nombre d’œuvres de science-fiction. Il est vrai qu’elle représente la forme la plus dense de stockage d’énergie que l’on puisse imaginer, mille fois plus dense que l’énergie de fission, elle-même déjà quelques millions de fois plus dense que nos énergies fossiles. En effet dans l’annihilation de l’antimatière avec la matière, toute la masse est transformée en énergie, sans résidus, déchets ou cendres.

D’où son intérêt pour propulser une mission spatiale lointaine, ou comme arme de destruction massive. Mais ne rêvons pas trop : toute l’antimatière jamais créée au Cern, si elle avait pu être conservée, n’aurait permis que de chauffer une tasse de café !


Si vous voulez en apprendre encore plus sur l’antimatière, rendez-vous à la Nuit de l’Antimatière, le 1er avril partout en FranceThe Conversation

Yves Sacquin, physicien expérimentateur, Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) – Université Paris-Saclay

Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article original.

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