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Page 1: A. Bay Mai 2002 Antimatière Antiparticules Antimondes Matière

A. Bay Mai 2002

Antimatière

Antiparticules Antimondes

Matière

Page 2: 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

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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…

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Que signifie "symétrique"…

… 6 configurations

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Que signifie "symétrique"…

un nombre infini de possibilités !

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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

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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

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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.

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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

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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.

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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

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… 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 ?

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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

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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

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La découverte du positonles antiparticules des électrons, nommées positons, ont étéobservées au CAL-Tech par C. D. Anderson en 1932.

positon électron

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Le détecteurBEBC du CERN

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BEBC au Cern

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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 —>

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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…)

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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

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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

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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 ?

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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

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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

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Production d’antiprotons lents au CERN

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accélérationde protons

production etsélection d ’antiprotons

AD: freinage des antiprotons

utilisation

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production 2

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Production de l’antiHydrogène

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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

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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 . . .…

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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…

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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

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Isotopes pour TEP

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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

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La tomographie par émission de positons

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permet de diagnostiquer des tumeurs

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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:

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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

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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.

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prototype HIPAT Pennsylvania State University

stockage de 109

antiprotons

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ICAN II

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Antimatière pour les projets dans l'Espace

V km/s

Masse

g

1 g

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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

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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

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Des étoiles et galaxies pourraient exister, formées d’antimatière...

Y a-t-il des mondes faits d’antimatière ?

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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 ...

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…on recherche l'antimatière dans l'espace éloigné

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… 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 +…

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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

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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

Page 54: A. Bay Mai 2002 Antimatière Antiparticules Antimondes Matière

! 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…

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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

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Quelle est l'origine de l'asymétrie cosmologique ?

Les symétries P, C et T

P gauche droite

C particule antiparticule

T inversion temporelle

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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

Page 58: A. Bay Mai 2002 Antimatière Antiparticules Antimondes Matière

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

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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

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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 !

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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

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Corollaire: C est aussi violée

ν gauche

C

ν gauche−

C(particule) = antiparticule

miroir « de charge »

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Qu'en est-il de la combinaison CP ?

ν gauche ν droit_

P C

Univers

Univers

"MIROIR CP"

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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%

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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.

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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

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belle

Les européens: Frankfurt Lausanne Ljubljana Moscow Vienna

"Petite" collaboration ~200 physiciens

Après quelques hésitations, Lausanne a été placée juste !

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Le programme se poursuivra au CERN...

0000

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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

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(iγμ∂μ −m)Ψ =0

Fin…


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