ANTIMATIÈRE

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Utilisations de l'antimatière

Les écrivains de science-fiction se sont emparés du thème de l'antimatière en lui donnant souvent le rôle d'une fabuleuse source d'énergie ; de fait, l'annihilation d'une centaine de grammes d'antimatière pourrait libérer l'équivalent de l'énergie produite par une centrale nucléaire pendant une année. L'intérêt du procédé est fort réduit tant qu'on ne dispose pas d'un gisement d'antimatière puisqu'il faudrait dépenser au moins deux fois plus d'énergie pour fabriquer cette antimatière, le processus créant autant de matière que d'antimatière ; le bilan énergétique serait donc globalement négatif. Reste l'avantage de pouvoir stocker une énergie considérable dans un volume très restreint. Les applications de l'antimatière ne sont cependant pas toutes du domaine de l'irréel, et même si les difficultés inhérentes à la manipulation des antiparticules les confinent encore dans les laboratoires, elles fournissent aux sciences physiques et à la médecine un outil nouveau et performant.

Physique du solide

L'antimatière s'est révélée comme un précieux auxiliaire pour l'étude des solides. Bien que la durée de vie d'un positon dans un solide soit typiquement inférieure à une nanoseconde, un faisceau de positons de quelques dizaines à quelques centaines de keV d'énergie peut explorer une région étendue d'un échantillon et fournir des informations très utiles sur sa structure électronique. La technique utilisée est fondée sur l'analyse des corrélations angulaires des photons émis lors de l'annihilation d'un positon du faisceau sur un électron de l'échantillon. L'analyse des surfaces, la caractérisation des défauts dans les métaux et les semi-conducteurs et la compréhension des matériaux supraconducteurs bénéficient de cette technique qui, après avoir été élaborée dans les laboratoires de recherche fondamentale, commence à être utilisée par les industries de haute technologie. On utilise aussi des antimuons ainsi que des atomes électriquement neutres de positronium – états liés d'un positon et d'un électron – produits à partir d'un faisceau de positons.

Tomographie par émission de positons

L'utilisation des positons dans le domaine médical est sans doute l'application la plus spectaculaire de l'antimatière. La tomographie par émission de positons (T.E.P.) permet d'observer in vivo et de façon quantitative des processus biochimiques et physiologiques divers. On peut ainsi étudier le cerveau humain en cours de fonctionnement au niveau de trois fonctions métaboliques essentielles : l'utilisation des sucres, de l'oxygène et des acides aminés. Le principe de la T.E.P. est de détecter les deux photons produits lors de la réaction d'annihilation d'un positon avec un électron, le positon étant dû à la désintégration β+ d'une molécule marquée par un isotope radioactif puis absorbée par le patient. Les isotopes utilisés sont principalement l'oxygène 15, l'azote 13, le carbone 11 et le fluor 18, dont les demi-vies sont respectivement de 2, 10, 20 et 110 minutes. Leur grande instabilité impose qu'on les produise sur le site même où est pratiquée la T.E.P., par un cyclotron accélérant des protons jusqu'à une énergie d'une dizaine de MeV avec un courant de quelques microampères. Ces isotopes sont incorporés – souvent par un processus « en ligne » – à des molécules simples telles que CO, CO2, CH4 ou F2 ou à des molécules plus élaborées, comme le glucose ou la dopamine, susceptibles d'être absorbées par les cellules. Ces produits sont alors suivis à la trace dans le corps humain ; chaque isotope radioactif émet un positon de faible énergie qui s'annihile presque sur place en rencontrant un électron, ce qui donne naissance à deux photons d'énergie caractéristique équivalente à la masse de l'électron, soit 511 keV. Ces deux photons s'éloignent dans des directions opposées ; très énergétiques, ils sont peu atténués par les tissus et sont détectés par des cristaux de scintillation (le germanate de bismuth, BGO, ou le fluorure de baryum, BaF2) couplés électroniquement de façon à ne prendre en compte que les photons arrivant simultanément sur deux détecteurs opposés. Le signal recueilli est analysé par ordinateur pour reconstituer une image tridimensionnelle des lieux d'annihilation des positons, c'est-à-dire des lieux d'accumulation de la substance active.

De nombreuses utilisations de la T.E.P. ont été testées à des fins cliniques ou de recherche ; citons la détermination du flux sanguin dans les tissus, qui s'est révélée une excellente mesure de la capacité fonctionnelle d'un organe tel que le cœur, le cerveau, un rein ou un poumon, la mesure du métabolisme du glucose (modifié par l'isotope 11 du carbone) et de celui de la dopamine (modifié par le fluor 18), en particulier pour les pathologies des neurotransmetteurs. La T.E.P. est un moyen d'approche privilégié pour l'évaluation de la perfusion et du métabolisme du myocarde ischémique ; c'est une technique de sélection très efficace pour la revascularisation coronaire chez les patients présentant une altération importante de la contractilité cardiaque. Elle est aussi utile dans le diagnostic de certains cancers.

Le coût élevé des installations de T.E.P. limite le nombre d'établissements équipés. En 2000, on en comptait une centaine dans le monde entier, dont trois en France (à Orsay, à Grenoble et à Caen). Leur avenir est cependant assuré tant leur intérêt en biologie, en médecine et en pharmacologie est avéré.

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Écrit par :

  • : 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 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/antimatiere/