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Où est passée lantimatière ? CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T1.

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1 Où est passée lantimatière ? CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T1

2 Lantimatière Quest-ce que la matière ? Pourquoi de lantimatière ? Où et comment produit-on de lantimatière ? Que faire avec de lantimatière ? Et notre Univers ? CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T2

3 Quest-ce que la matière ? Photo CERN nombre de protons du noyau = nombre délectrons de latome caractérise lélément chimique un élément peut avoir plusieurs isotopes qui différent par le nombre de neutrons de leur noyau CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T3

4 Petite histoire de lantimatière CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T : Dirac Électromagnétisme électron Maxwell relativiste 1906 : Einstein Relativité restreinte avec spin 1926 : Schrödinger Mécanique Quantique

5 Léquation de Dirac a 2 solutions ! lélectron ???? Que signifie la deuxième solution ? Problème… CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T : Anderson découvre le positron dans les rayons cosmiques Plomb Rien ? Électron dénergie négative … Une particule de charge +1 ??? Le proton ? Mais sa masse est 2000 fois plus grande Dirac invente lantiélectron en 1930 électron e – e + positron

6 Lantimatière même masse même durée de vie charge opposée etc. CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T6 électron e – proton p + neutron n photon + – e + positron antiproton antineutron photon p–p– n

7 Comment fabriquer de lantimatière ? Matérialisation E = M c 2 Collision énergie matière + antimatière CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T7 La masse du proton = 2000 fois la masse de lélectron énergie 2000 fois plus grande pour créer p + que pour créer e – + e + p

8 À la découverte de lantimatière 1932 e + Rayons cosmiques 23 ans 1955 Berkeley (USA) 1956 Berkeley (USA) CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T8 Antinoyaux 9 ans p n 1965 ( + )Brookhaven (USA) np 2H2H 1970 ( 2 + )Serpukhov (URSS ) np 3 He ( + 2 ) Cern (Europe) np 3H3H

9 Que devient lantimatière ? Annihilation M c 2 = E à larrêt : matière + antimatière énergie CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T9 e – + e + 2 p des p

10 De lantimatière dans la radioactivité oxygène azote carbone sodium néon fluor neutrons protons proton neutron + positron e + + neutrino neutron proton + électron e - + antineutrino CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T10 – +

11 Principe de limagerie médicale 11 C 13 N 15 O 18 F 55 Co 76 Br Qui ont des demi-vies de quelques heures Production disotopes radioactifs avec un cyclotron Exemple : Fluoro Deoxy Glucose avec 18 F (demi-vie 110 minutes) Préparation dun composé chimique adapté Injection du composé radioactif par voie intraveineuse CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T11

12 18 F e+e+ La tomographie par émission de positrons Prototype développé au CEA en 1983 (LETI- CEA) e–e– e + + e – 2 de 511 keV dos à dos Couronne de détecteurs + coïncidence CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T12

13 Détection de tumeurs cancéreuses Photos Iowa P.E.T. Imaging Center Avant traitement Maladie de Hodgkin chez un homme de 35 ans Un mois après la fin de la chimiothérapie CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T13

14 Étude de la maladie de Parkinson Le traceur au fluor 18 ne se fixe pas car la maladie de Parkinson a fait disparaître les neurones dopaminergiques les neurones dopaminergiques augmentent 3 mois 6 mois 12 mois après une greffe CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T14

15 Étude du fonctionnement du cerveau LectureÉcoute La lecture et lécoute ne font pas travailler les mêmes zones du cerveau CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T15

16 Un outil pour les physiciens Des collisionneurs pour la physique grâce à lantimatière CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T16 Particule cible énergie disponible 300 GeV 24,5 GeV Particule antiparticule énergie disponible 600 GeV 300 GeV

17 Découvertes par collisions matière-antimatière CERN Linac AA Cible Source Protons Antiprotons PSB 1 GeV/c PS 25 GeV/c SPS 300 GeV/c LEAR 100 MeV/c 3,5 GeV/c C. RubbiaS. Van der Meer CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T17 p e – e Fermilab W + W – 90 GeV Z CERN quark top 175 GeV p (1999) CERN Recherche du Higgs 2001 Japon et USA Violation de CP dans B d 0

18 À champ magnétique constant, la fréquence de rotation varie comme 1/M G. Gabrielse CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T18 Des antiprotons en bouteille masse de p masse de ? p 1999 CERN = 1, ± 0, M ( p ) M ( ) p -U B p

19 De lénergie avec de lantimatière ? Conversion masse énergie TRÈS TRÈS efficace p annihilation He d d fusion O2O2 H2H2 H2OH2O chimique U fission CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T19 p

20 De lantimatière pour quoi faire ? (1) ans pour les fusées ans pour les armes MAIS Production très lente des microgrammes pour les fusées : réaliser des missions impossibles telles que Terre - Centre Galaxie Carburant ultraléger des milligrammes pour des armes très puissantes CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T20

21 De lantimatière pour quoi faire ? (2) De lélectricité ? Pour fabriquer les antiprotons, 100 millions de fois plus dénergie dépensée que récupérée Production très coûteuse Stockage difficile et dangereux Pas rentable du tout ! Un sujet détude pour les physiciens… Soigner avec des antiprotons au lieu des protons ? Annihilation des antiprotons action très localisée vérification du point touché Possible mais coûteux CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T21

22 Un sujet détude pour les physiciens En fabriquant des antiatomes dhydrogène : … En remplaçant un électron par un antiproton : 1990… e–e– CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T22 e–e– e–e– e–e– e–e– p p+p+ e–e– e+e+ p

23 À la découverte de lantimatière 1932 e + Rayons cosmiques Antinoyaux 26 ans Antiatomes CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T antihydrogène ( e + ) au repos CERN (Europe) p 1996 antihydrogène ( e + ) rapideCERN (Europe) p 23 ans 1955Berkeley (USA) p 1956Berkeley (USA) n 1965 ( + ) Brookhaven (USA) pn 2H2H ( + 2 ) CERN (Europe) pn 3H3H 1970 ( 2 + )Serpukhov (URSS ) pn 3 He

24 Une dissymétrie matière-antimatière Le kaon neutre peut osciller entre matière et antimatière : En fonction du temps, on peut comparer : matière antimatière : antimatière matière : CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T24 K0K0 K0K0 K0K0 K0K0 K0K0 K0K0

25 CPLEAR étiquette les K et les K 0 K K 0 CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T25 K0K0 p p + + K – + + p + + K + + – pK0K0 Instant 0 : annihilation p ou p K0K0 K0K0 00 Instant t : ou se désintègre : K0K0 K0K0 K 0 0 K + + e – + e K0K0 – + e + + e K0K0

26 Le hall expérimental de LEAR Photo CERN CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T26

27 Le détecteur CPLEAR + + K–K– e–e– + – cible La collaboration CPLEAR : 100 physiciens de 9 pays Portugal, Slovénie, Suède, Suisse États-Unis, France, Grande Bretagne, Grèce, Pays-Bas, CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T27 p K0K0 K0K0

28 Le résultat de CPLEAR La matière lemporte sur lantimatière CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T28 t ATAT Asymétrie A T = 0,0066 ± 0,0013 stat ± 0,0010 syst

29 Et notre Univers ? matière + antimatière énergie Autour de nous, Dans notre galaxie, Dans les autres galaxies, Dans notre Univers, On ne voit pas de signalant une frontière avec de lantimatière Au moment du big-bang :énergie matière + antimatière Ensuite : CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T29

30 Quest devenue lantimatière ? Production dun léger déséquilibre : antiprotons ou antineutrons… protons ou neutrons… déséquilibre thermodynamique possible au tout début du big-bang dissymétrie matière – antimatière observée pour le kaon neutre (CPLEAR) et le B (expérience Babar) Il peut y avoir disparition de lantimatière si A. Sakharov CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T30 quarks et antiquarks se désintègrent ex. p 2 e + + e – 2 e – + e + théories de grande unification p

31 Et si un extra-terrestre venait… Il veut atterrir, nous serrer la main, boire du champagne… Que répondre ? vérifier quil ne vient pas dun monde dantimatière ! Malgré sa gentillesse apparente, ne pas linviter sans Car sinon : CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T31


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