R. Michael Barnett du Lawrence Berkeley National Laboratory et Helen Quinn du Stanford Linear Accelerator Center proposent cette réponse, dont certaines parties sont paraphrasées à partir de leur livre The Charm of Strange Quarks :
En 1930, Paul Dirac a formulé une théorie quantique pour le mouvement des électrons dans les champs électriques et magnétiques, la première théorie qui incluait correctement la théorie de la relativité restreinte d’Einstein dans cecontexte. Cette théorie a conduit à une prédiction surprenante : les équations qui décrivaient l’électron décrivaient également, et en fait exigeaient, l’existence d’un autre type de particule ayant exactement la même masse que l’électron mais avec une charge électrique positive au lieu de négative. Cette particule, que l’on appelle le positron, est l’antiparticule de l’électron, et c’était le premier exemple d’antimatière.
Sa découverte dans des expériences a rapidement confirmé la prédiction remarquable de l’antimatière dans la théorie de Dirac. Une photo de chambre à nuage prise par Carl D. Anderson en 1931 montrait une particule entrant par le bas et traversant une plaque de plomb. La direction de la courbure de la trajectoire, causée par un champ magnétique, indiquait que la particule était chargée positivement mais avait la même masse et les mêmes caractéristiques qu’un électron. Aujourd’hui, les expériences produisent régulièrement un grand nombre de positrons.
La prédiction de Dirac s’applique non seulement à l’électron mais à tous les constituants fondamentaux de la matière (particules). A chaque type de particule doit correspondre un type d’antiparticule. La masse de toute antiparticule est identique à celle de la particule. Toutes ses autres propriétés sont également étroitement liées, mais avec les signes de toutes les charges inversés. Par exemple, un proton a une charge électrique positive, mais un antiproton a une charge électrique négative. L’existence de partenaires d’antimatière pour toutes les particules de matière est désormais un phénomène bien vérifié, les deux partenaires de centaines de ces appariements ayant été observés.
De nouvelles découvertes conduisent à un nouveau langage. En inventant le terme « antimatière », les physiciens ont en fait redéfini le sens du mot « matière ». Jusqu’alors, « matière » désignait tout ce qui avait une substance ; aujourd’hui encore, les manuels scolaires donnent cette définition : « la matière occupe de l’espace et a une masse ». En ajoutant le concept d’antimatière comme distinct de la matière, les physiciens ont restreint la définition de la matière pour qu’elle ne s’applique qu’à certains types de particules, y compris, cependant, toutes celles que l’on trouve dans l’expérience quotidienne.
Toute paire de particule et d’antiparticule correspondantes peut être produite chaque fois qu’il y a suffisamment d’énergie disponible pour fournir la masse-énergie nécessaire. De même, chaque fois qu’une particule rencontre son antiparticule correspondante, les deux peuvent s’annihiler l’une l’autrec’est-à-dire qu’elles disparaissent toutes deux, laissant leur énergie transformée sous une autre forme.
Il n’y a pas de différence intrinsèque entre les particules et les antiparticules ; elles apparaissent essentiellement sur le même pied dans toutes les théories des particules. Cela signifie que les lois de la physique pour les antiparticules sont presque identiques à celles des particules ; toute différence est un effet minuscule. Mais il y a certainement une différence spectaculaire dans le nombre de ces objets que nous trouvons dans le monde qui nous entoure ; le monde entier est fait de matière. Toute antimatière que nous produisons en laboratoire disparaît rapidement parce qu’elle rencontre des particules de matière correspondantes et s’annihile.
Les théories modernes de la physique des particules et de l’évolution de l’univers suggèrent, voire exigent, que l’antimatière et la matière étaient aussi communes dans les premiers stades alors pourquoi l’antimatière est-elle si peu commune aujourd’hui ? Le déséquilibre observé entre matière et antimatière est une énigme qui reste à expliquer. Sans lui, l’univers actuel serait certainement beaucoup moins intéressant, car il n’y aurait pratiquement plus de matière ; les annihilations auraient déjà tout converti en rayonnement électromagnétique. Il est donc clair que ce déséquilibre est une propriété essentielle du monde que nous connaissons. Les tentatives pour l’expliquer sont un domaine de recherche actif aujourd’hui.
Pour répondre à cette question, nous devons mieux comprendre cette infime partie des lois de la physique qui diffère pour la matière et l’antimatière ; sans cette différence, il n’y aurait aucun moyen pour un déséquilibre de se produire. Cette distinction fait l’objet d’une étude dans le cadre d’un certain nombre d’expériences menées dans le monde entier et axées sur les différences dans la désintégration de particules appelées mésons B et de leurs partenaires antiparticules. Ces expériences seront réalisées à la fois dans des installations de collision électron-positron appelées usines B et dans des collisionneurs de hadrons à haute énergie, car chaque type d’installation offre des capacités différentes pour contribuer à l’étude de ce détail des lois de la physique – un détail qui est responsable d’une propriété aussi importante de l’univers que le fait qu’il y ait quelque chose du tout !
Maria Spiropulu est candidate au doctorat en physique à Harvard. Sa réponse suit : Commençons par définir la matière. Les gens se demandent depuis assez longtemps « qu’est-ce que la matière ? ». Démocrite, le philosophe et mathématicien de la Grèce antique, envisageait une structure dans les éléments constitutifs de toute chose et il appelait la base de cette structure un atome ; il a écrit : « rien n’existe à part les atomes et l’espace vide : tout le reste n’est qu’opinion. » Au niveau atomique, le monde peut être décrit en termes d’éléments, notamment l’hydrogène, l’oxygène, le carbone et autres.
Il s’avère cependant que les atomes ne sont pas les constituants fondamentaux de la matière. Lorsque nous zoomons plus près de la matière, en sondant à des distances plus petites, le monde subatomique se dévoile. Plus nous regardons de près, plus ce monde, le monde quantique, se comporte en réalité de façon étrange. Nous ne pouvons pas établir de lien direct avec lui : à petite échelle, les objets ne se comportent pas comme des tiges, des balles, des ondes ou des nuages, ni comme quoi que ce soit que nous ayons jamais connu directement. Mais la mécanique quantique de ce monde nous permet de décrire comment les atomes forment des molécules.
Elle nous permet également de dépeindre le « mouvement » de certaines particules à l’intérieur des atomes. En effet, les atomes sont constitués d’électrons qui virevoltent autour des protons et neutrons fixes de leur noyau, lesquels sont constitués de quarks. Toutes ces particules interagissent entre elles par l’intermédiaire de particules « messagères de force », comme les photons, les gluons, les W et les Z. Sur la base des attributs de ces particules, nous leur attribuons des numéros d’identification, ou nombres quantiques. Et grâce à des symétries et des lois de conservation impliquant les nombres quantiques des particules, nous pouvons décrire leurs interactions. Des exemples de tels nombres sont la charge et le moment angulaire intrinsèque, ou spin.
Si a est une particule quelconque et que cette particule n’a pas d’autres attributs que le moment linéaire et le moment angulaire (qui incluent l’énergie et le spin), alors a est sa propre antiparticule – l’un des constituants de l’antimatière. Par exemple, le photon est sa propre antiparticule. Si une particule possède d’autres attributs (comme une charge électrique Q), alors l’antiparticule possède les attributs opposés (ou une charge de -Q). Le proton et le neutron possèdent de tels attributs. Dans le cas du proton, sa charge positive le distingue de l’antiproton, chargé négativement. Le neutron, bien qu’électriquement neutre, a un moment magnétique opposé à celui de l’anti-neutron. Les protons et les neutrons ont un autre nombre quantique appelé nombre de baryons, qui a également le signe opposé dans les antiparticules correspondantes.
L’opération consistant à changer les particules par des antiparticules est appelée conjugaison des charges (C). Les particules et les antiparticules ont exactement la même masse et des charges et des moments magnétiques égaux, mais opposés ; si elles sont instables, elles ont la même durée de vie. Cette période est appelée invariance de la conjugaison des charges, de la parité et du temps (CPT), qui établit le fait que si vous échangez des particules contre des antiparticules (C), que vous vous regardez dans un miroir tridimensionnel (P) et que vous inversez le temps (T), vous ne pouvez pas faire la différence entre les deux. Les tests les plus rigoureux de la CPT à ce jour sont les mesures du rapport des moments magnétiques de l’électron et du positron à deux parties sur un billion (R. Van Dyck, Jr. et P. B. Schwinberg, Université de Washington, 1987) et les mesures de la charge par masse du proton et de l’antiproton – trouvées à 0.999 999 999 91 à 90 parties par trillion (G. Gabrielse, Harvard, 1998).
L’antimatière est apparue comme une solution au fait que l’équation décrivant une particule libre en mouvement (la relation relativiste entre l’énergie, la quantité de mouvement et la masse) a non seulement des solutions d’énergie positive, mais aussi des solutions négatives ! Si cela était vrai, rien n’empêcherait une particule de tomber dans des états d’énergie négative infinis, en émettant une quantité d’énergie infinie au cours du processus, ce qui ne se produit pas. En 1928, Paul Dirac a postulé l’existence d’électrons chargés positivement. Il en résulte une équation décrivant à la fois la matière et l’antimatière en termes de champs quantiques. Ce travail a été un véritable triomphe historique, car il a été confirmé expérimentalement et il a inauguré une nouvelle façon de penser les particules et les champs.
En 1932, Carl Anderson a découvert le positron en mesurant les rayons cosmiques dans une expérience de chambre de Wilson. En 1955, au Bevatron de Berkeley, Emilio Segre, Owen Chamberlain, Clyde Wiegand et Thomas Ypsilantis ont découvert l’antiproton. Et en 1995, au CERN, les scientifiques ont synthétisé des atomes d’anti-hydrogène pour la première fois.
Lorsqu’une particule et son antiparticule entrent en collision, elles s’annihilent en énergie, qui est transportée par des particules « messagères de force » qui peuvent ensuite se désintégrer en d’autres particules. Par exemple, lorsqu’un proton et un anti-proton s’annihilent à haute énergie, une paire de quark top-anti-top peut être créée !
Une énigme intrigante apparaît lorsque nous considérons que les lois de la physique traitent la matière et l’antimatière de manière presque symétrique. Pourquoi alors n’avons-nous pas de rencontres avec des anti-hommes constitués d’anti-atomes ? Pourquoi les étoiles, la poussière et tout ce que nous observons sont-elles constituées de matière ? Si le cosmos a commencé avec des quantités égales de matière et d’antimatière, où est l’antimatière ?
Expérimentalement, l’absence de rayonnement d’annihilation de l’amas de la Vierge montre que l’on trouve peu d’antimatière dans un rayon de ~20 mégaparsecs (Mpc), la taille typique des amas galactiques. Malgré cela, il existe un riche programme de recherche d’antimatière dans le rayonnement cosmique. Entre autres, les résultats du High-Energy Antimatter Telescope, une expérience de rayonnement cosmique par ballon, ainsi que ceux provenant de 100 heures de données du Spectromètre magnétique alpha à bord de la navette spatiale de la NASA, confirment la dominance de la matière dans notre Univers. Les résultats de l’observatoire orbital Compton Gamma Ray de la NASA , cependant, mettent à jour ce qui pourrait être des nuages et des fontaines d’antimatière dans le centre galactique.
Nous avons déclaré qu’il existe une symétrie approximative entre la matière et l’antimatière. On pense que cette petite asymétrie est au moins en partie responsable du fait que la matière survit à l’antimatière dans notre univers. Récemment, l’expérience NA48 au CERN et l’expérience KTeV à Fermilab ont toutes deux mesuré directement cette asymétrie avec suffisamment de précision pour l’établir. Et un certain nombre d’expériences, dont l’expérience BaBar au Centre de l’accélérateur linéaire de Stanford et Belle à KEK au Japon, vont confronter la même question dans différents systèmes de particules.
L’antimatière à des énergies plus faibles est utilisée en tomographie par émission de positrons (voir cette image TEP du cerveau). Mais l’antimatière a surtout suscité l’intérêt du public en tant que carburant pour le vaisseau fictif Enterprise dans Star Trek. En fait, la NASA s’intéresse à l’antimatière comme carburant possible pour la propulsion interstellaire. À l’université de Penn State, le groupe « Propulsion spatiale à l’antimatière » relève le défi d’utiliser l’annihilation de l’antimatière comme source d’énergie pour la propulsion. Rendez-vous sur Mars ?
Réponse initialement publiée le 18 octobre 1999
.