ANTIMATIÈRE

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L'antimatière exerce une certaine fascination : le grand public, les lecteurs de revues scientifiques et même les spécialistes ont un peu le vertige à l'énoncé de ses propriétés. En effet, si 1 gramme d'antimatière était mis en contact avec 1 gramme de matière ordinaire, il se produirait une annihilation brutale libérant autant d'énergie que la fission de quelques kilogrammes de plutonium ou la combustion de quelques milliers de tonnes de charbon. Néanmoins, seul le contact entre matière et antimatière est explosif. L'antimatière, par elle-même, est stable. Elle a d'ailleurs des propriétés tout à fait semblables à celles de la matière. L'antihydrogène, par exemple, est formé d'un antiélectron chargé positivement, appelé « positon », tournant autour d'un antiproton. Il en va de même pour les autres antiatomes et même pour les antimolécules les plus complexes, qui obéissent certainement aux mêmes lois chimiques que celles qui régissent la matière. À ce stade de l'exposé, l'imagination prend facilement le relais. Dans un scénario de science-fiction où un antimonde existerait quelque part dans l'Univers, les communications électromagnétiques seraient envisageables entre cet antimonde et le monde « ordinaire », mais tout contact physique, tout échange matériel serait impossible, car il entraînerait une immense explosion.

L'existence d'antiparticules a d'abord été prédite par des travaux théoriques. Puis des antiparticules ont été produites dans les grands accélérateurs et, de nos jours, des faisceaux de positons ou d'antiprotons sont couramment utilisés pour des expériences de physique fondamentale. Des antiparticules sont parfois détectées dans les rayons cosmiques, mais on n'a pas la preuve que des quantités importantes d'antimatière (étoiles, galaxies, etc.) existent dans l'Univers. Nous allons revenir sur ces trois aspects de l'antimatière : existence d'une antiparticule associée à chaque particule ; production et utilisation d'infimes quantités d'antimatière en laboratoire ; enfin, rôle de l'antimatière en cosmologie et en astrophysique.

Théorie des antiparticules

À l'époque des premières spéculations sur les antiparticules, la matière pouvait être décomposée en trois constituants primordiaux : l'électron, le proton et le neutron, dont on soupçonnait l'existence et que l'on s'apprêtait à découvrir. Toutes les expériences d'électricité confirment une parfaite symétrie entre les charges positives et les charges négatives. Par exemple, deux charges positives se repoussent en obéissant exactement à la même loi que les deux charges négatives correspondantes. La nature semble pourtant rompre brutalement cette symétrie : les charges négatives sont associées aux particules les plus légères, les électrons, qui peuvent facilement passer d'un atome à l'autre dans une molécule ou d'un site à l'autre dans un cristal, tandis que les charges positives sont liées aux noyaux, c'est-à-dire aux composants les plus lourds et les moins mobiles. Bien entendu, c'est par pure convention que les électrons sont dits chargés négativement, et les noyaux positivement ; on peut dire plus généralement que les charges opposées jouent des rôles différents dans la matière qui nous entoure. La théorie de l'électron, élaborée par Dirac, rétablit une symétrie entre les charges positives et les charges négatives, en introduisant le concept d'antiparticule.

L'histoire prétend que l'existence du positon a été prédite par Paul Dirac en 1929 et qu'il s'agit là d'un des plus grands succès de la physique théorique. En réalité, un long cheminement, mêlant les spéculations hardies et l'analyse critique rigoureuse, fut nécessaire pour élaborer cette théorie. Le début du siècle vit naître la théorie de la relativité, qui modifie notre conception de l'espace et du temps, établit l'équivalence entre masse énergie, et corrige la mécanique classique lorsque de grandes vitesses sont en jeu. L'autre grand progrès résulte de l'apparition de la mécanique quantique, qui traite des processus microscopiques. Cependant, la mécanique quantique, telle qu'elle fut formulée par Bohr, de Broglie, Heisenberg, Schrödinger..., est malheureusement non relativiste, c'est-à-dire n'est valable que si la vitesse des particules reste petite par rapport à celle de la lumière. Or l'électron, comme toute particule ponctuelle, est soumis aux lois de la mécanique quantique, mais son étude relève aussi de la relativité car, étant très léger, il peut facilement acquérir une vitesse très élevée et devenir une particule relativiste.

Les premières descriptions du mouvement des particules élémentaires furent fondées sur l'équation de Klein-Gordon. En résolvant cette dernière, on obtient les états d'énergie E :

m est la masse de la particule, et p son impulsion.

Il apparaît qu'outre des états d'énergie positive E (acceptables) on a aussi des états ayant une énergie négative. L'état fondamental d'une particule étant celui où son énergie est minimale, les électrons devraient alors passer à des états d'énergie de plus en plus négative d'où ils ne pourraient plus revenir. Comment se fait-il dès lors que les électrons ne disparaissent pas tous ? Un autre problème est inhérent à l'équation de Klein-Gordon : les états d'énergie négative ont une densité de probabilité négative.

En 1927, Dirac essaya d'éviter ces deux problèmes. Il utilisa une autre équation relativiste (dite équation de Dirac) et réussit à résoudre le problème de la densité de probabilité négative. Cette équation décrivait seulement les particules à spin 1/2, qu'on appelle fermions, le spin étant le moment cinétique intrinsèque d'une particule. Mais le spectre d'énergie comporte toujours des états d'énergie négative.

Pour résoudre le problème des énergies négatives, Dirac évoqua le principe d'exclusion de Pauli, principe qui interdit à deux fermions ayant les mêmes nombres quantiques d'appartenir au même état d'énergie. Ce principe a été énoncé par Wolfgang Pauli, quelques années auparavant, pour expliquer la structure des orbitales et des spectres atomiques.

Dirac postula que tous les états d'énergie négative sont occupés, l'ensemble constituant ce qu'on appelle la « mer ». Il considéra le vide comme une mer infinie d'états d'énergie négative. Dès lors, les électrons d'énergie positive ne peuvent pas « tomber » dans des états d'énergie de plus en plus négat [...]

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  • : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau
  • : professeur à l'université de Grenoble-I-Joseph-Fourier, responsable du groupe de physique théorique de Grenoble

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Pour citer l’article

Bernard PIRE, Jean-Marc RICHARD, « ANTIMATIÈRE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 26 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/antimatiere/