Antiparticule

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A chaque type de particule correspond un type d'antiparticule. Ainsi, le neutron est associé à l'antineutron, et le proton, à l'antiproton. La première antiparticule observée, un antiélectron (positron) produit par la rencontre entre des rayons cosmiques et l'atmosphère, fut découverte en 1933. Actuellement, nous ne connaissons pas d'atome d'antimatière à l'état naturel.

En physique atomique, il est apparu au début du XXe siècle que la description du comportement des particules passe par une équation qui ne fixe que le carré de certaines grandeurs. Cette équation a donc deux solutions : la solution « ordinaire », correspondant au comportement des particules connues, et une solution correspondant à des particules « théoriques », généralement non observées.

Paul Dirac a prédit que ces particules ont une existence réelle, observable dans les conditions extrêmes. Des expériences ont confirmé cette prédiction.

Une particule possède une masse, une charge électrique, un spin ou moment cinétique et d'autres nombres quantiques (notamment les nombres leptoniques et baryoniques). L'antiparticule correspondante possède les mêmes valeurs, mais opposées, sauf la masse et le spin qui sont identiques.

Par exemple, l'électron a une masse de 9,1.10^-31 kg (une énergie de masse E = m×c²), une charge électrique q = - 1,6.10^-19 Coulombs, un spin 1/2. L'antiélectron a la même masse et le même spin, mais une charge électrique opposée : q = + 1,6.10^-19 Coulombs. Ainsi une particule et son antiparticule ont toujours une charge électrique opposée : ils s'attirent électriquement.

La projection du spin d'une antiparticule est opposé à celle d'une particule. C'est cette différence dans l'orientation du spin qui fonde la nature positive ou négative de la charge. La question est alors de savoir comment ces charges opposées permettent l'attraction électrique. C'est une question non résolue par la physique actuelle.

Ainsi, à chaque particule de matière, correspond une antiparticule d'antimatière, ayant des caractéristiques identiques mais une charge électrique opposée (et de même valeur absolue). $\begin{matrix} e^{-} & \Longleftrightarrow & e^{+} \\ {\acute electron} & {} & {positron} \\ p & \Longleftrightarrow & \bar p \\ {proton} & {} & {antiproton} \\ {\gamma} & \Longleftrightarrow & {\gamma} \\ {photon} & {} & {photon} \end{matrix}$

Le photon, dont la seule caractéristique est l'énergie cinétique (sans masse, avec un spin entier (1), non électriquement chargé, etc.) est sa propre antiparticule.

La rencontre d'une particule et de son antiparticule les annihile avec disparition de leur masse, et donc création d'une quantité correspondante d'énergie suivant la formule bien connue E=mc². Cette énergie peut alors donner naissance à des particules neutres (photons, bosons $Z 0$ ou gluons).

Et, inversement, la concentration d'une quantité suffisante d'énergie (éventuellement provoquée par une annihilation particule-antiparticule) provoque la création d'un ou plusieurs couples particule-antiparticule (notamment photon-photon).

En raison de leur charge électrique opposée, une particule et son antiparticule placées dans un même champ électromagnétique sont soumises à des forces opposées, ce qui peut servir à les isoler pour étudier les antiparticules.

Pour créer et observer des antiparticules, on fait donc se rencontrer des particules préalablement accélérées (ce qui les dote d'une très forte énergie), en un lieu doté d'un champ electromagnétique capable d'attirer et isoler les antiparticules (chambre à bulle).

[modifier] Collision d'une particule et de son antiparticule

Lorsqu'une particule de masse m rentre en contact avec son antiparticule correspondante, elles s'annihilent pour former une ou plusieurs particules quelconques, mais qui ont une énergie égale à celle initiale, et qui conserve un certain nombre de caractéristique comme la charge électrique totale qui doit donc être nulle. En particulier, l'annihilation peut produire une particule et son antiparticule différentes de celles initiales.

Exemple : un proton et un antiproton s'annihilant, ont une énergie E = 2×1,6.10^-27×c² = 0,23.10^-9Joules; ils peuvent, par exemple, se transformer en une paire (électron, antiélectron) allant à la vitesse v = 0,98 × c, la majorité de l'énergie est alors sous forme d'énergie cinétique (vitesse).

Par ailleurs, un photon d'énergie suffisante peut créer un couple particule/antiparticule n'importe où, et donc probablement des milliers de fois par seconde tout autour de nous. Évidemment, à peine créé, ce couple a de grandes chances de disparaître en s'annihilant puisque ces deux particules, créées au même endroit au même instant, s'attirent par leur proximité. Mais parfois une antiparticule s'échappe et s'annihile un peu plus loin.

Exemple : un photon d'énergie supérieure à 0,23.10^-9Joules peut se transformer en une paire proton/antiproton.

Bien que des atomes d'anti-hydrogène aient été créés en nombre très limité en laboratoire depuis la fin du XX^e siècle, leur période de vie est très courte et ils ne peuvent être conservés. Leur création nécessite d'immenses dispositifs (accélérateur de particules) et des quantités effroyables d'énergie, bien plus que n'en libère leur annihilation avec la matière, ce qui hypothéque pour longtemps encore de réelle avancés en la matière.

[modifier] Recherche fondamentale

La masse se transformant en énergie selon la célèbre formule E=mc², la collision d'une particule et de son antiparticule recèle un immense potentiel énergétique.

Par exemple, la réaction entre un demi-kilogramme d'antimatière et un demi-kilogramme de matière (même masse de "réactifs" que suivants) produit 90×10¹⁵ joules. En comparaison, la combustion d'un kilogramme de pétrole ne produit que 42 millions de J (2 milliards de fois moins) : inexact car c'est une réaction chimique qui doit incorporer TOUT le réactif (pétrole + oxygène). . . Et la fusion nucléaire (celle qui anime le soleil) d'un kilogramme d'hydrogène en produit 260×10¹² J (400 fois moins). En fait, l'énergie que l'on pourrait produire avec quelques grammes d'antimatière est suffisante pour transporter un vaisseau sur la Lune.