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A. Bay Mai 2002 Antimatière Antiparticules Antimondes Matière.

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2 A. Bay Mai 2002 Antimatière Antiparticules Antimondes Matière

3 antiparticules et antimondes l'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 positons les moteurs à antimatière A la recherche des antimondes, un peu de Cosmologie

4 les symétries syn-: ensemble metron : mesure

5 MUSEE ROMAIN DE NYON ? Bacchus ou Ariane ? une symétrie binaire partielle au temps des Romains…

6 Que signifie "symétrique"… … 6 configurations

7 Que signifie "symétrique"… un nombre infini de possibilités !

8 Les choses deviennent esthétiquement plus intéressantes quand la configuration n'est pas "trop" symétrique. Cela est aussi vrai dans le monde sub-microscopique des particules élémentaires ! GGDD GD

9 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 de la physique, on doit pouvoir associer une loi de conservation et réciproquement. voir Invariance par translation Conservation de la quantité de mouvement Invariance de jaugeConservation de la charge

10 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 négative sont attirés par le noyau de charge positive: la cohésion de l'atome est due à la force électromagnétique.

11 Genèse du concept d antiparticule Paul A. M. Dirac Albert Einstein Max Planck En 1927 Dirac cherche à marier la théorie de la relativité et la théorie quantique

12 L'équation de Dirac la 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 similaire à l électron, mais de charge + … mais laquelle ? En 1927 la seule particule positive connue était le proton.

13 Origine des deux solutions: Energie cinétique classique: E = mv 2 /2 = p 2 /2m Th. de la relativité: un corps de masse m possède une énergie au repos E = mc 2 Corps en mouvement: on ajoute une partie cinétique et on obtient l'équation E 2 = m 2 c 4 + p 2 c 2 2 solutions pour E:

14 … une énergie<0 ??? Dirac cherche une échappatoire à ce piège algébrique…! Il introduit la notion - improbable - de mer d'électrons d'énergie négative dans lequel des trous peuvent se former. Ces trous se comportent comme des particules de charge + et d'énergie positive. E>0 E<0 électron proton ?

15 Le "trou" peut-il représenter le proton ? En 1930 la question était désormais expérimentale: est-ce que la deuxième composante de l'équation de Dirac a une réalité physique ou bien est-elle un phantasme de théoricien ? Où aller chercher ces antiparticules ? non: il apparaît rapidement que la deuxième composante dans l'équation de Dirac doit représenter un objet de même 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

16 Particules Antiparticules positon charge électron charge Pour produire un couple électron-positon il faut disposer dune ENERGIE > 2 m c 2 particules et antiparticules ont des charges opposées et une même masse m ! miroir « de charge » positon et électron se matérialisent rayon gamma

17 La découverte du positon les antiparticules des électrons, nommées positons, ont été observées au CAL-Tech par C. D. Anderson en positonélectron

18 Le détecteur BEBC du CERN BEBC au Cern

19 particule & antiparticule Quand un électron rencontre un positon, il y a ce sont deux rayons gamma d énergie >mc 2 chacun, que lon peut observer avec des détecteurs (les ondes électromagnétiques: radio, infrarouge, visible, ultraviolet, gamma rayons X, gamma) annihilation et on récupère lénergie E= 2 m c 2 L'annihilation d'un couple e + + e >

20 Découverte des antiparticules 1932 positon dans les rayons cosmiques (Anderson et al.) Kaon / antiKaon 1955 antiproton (Bevatron de Berkeley, Chamberlain et al.) 1956 antineutron (idem) neutrino/antineutrino … Plusieurs substances radioactives sont émettrices de positons (en médecine on utilise l' O15, le F18…)

21 Le modèle standard des particules

22 Antiprotons et antineutrons dans le modèle des quarks u d NEUTRON: d d u u PROTON: d NEUTRON: d d u PROTON: d u u Protons et neutrons sont constitués de 3 quarks Antiprotons et antineutrons de 3 antiquarks Q=+1 Q=-1 Q=0 miroir de charge

23 Est-ce que l'on peut assembler des antiparticules pour former des antiatomes Prochaine question: lantiH est-il stable et peut-il former des antiétoiles? p. ex. de l'antiHydrogène ?

24 La formation d antiHydrogène nécessite la production......d un antiproton … dun positon …. et leur assemblage pour l'assemblage, antiproton et positon doivent voyagerlentement

25 faisceau de p anneau daccélération p rapides p = protons (noyaux dhydrogène) cible sélection danti-p freinage des anti-p expériences beaucoup de particules après le choc Production d antiprotons lents

26 Production dantiprotons lents au CERN accélération de protons production et sélection d antiprotons AD: freinage des antiprotons utilisation

27 production 2

28 Production de lantiHydrogène

29 Les aimants de lAD

30 Assemblage de lantiHydrogène dans des pièges de Penning piège à anti-p piège à positons région de rencontre entrée des antiprotons entrée des positons

31 antiH

32 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 et de l antiH sont identiques ? Les spectres sont-ils égaux ? Production et étude d' antiH 2 Production et étude d' antiD... …

33 Quels sont les usages des antiparticules ? 1) Aujourdhui: utilisation en imagerie médicale 2) A l étude: utilisation dans le stockage de l'énergie, pour les voyages dans lespace, … Petite pause technologique…

34 Tomographie par émission de positons

35 On injecte une substance métaboliquement active émettrice des positons La substance se concentre dans certaines régions du corps (tumeurs, régions du cerveau actives,…) Les positons s annihilent avec les électrons de la matière. Deux rayons gamma sont émis et observés par des détecteurs de particules détecteurs de particules gamma

36 Isotopes pour TEP

37 La tomographie par émission de positons lire des mots sur un écran entendre des mots permet d étudier le comportement du cerveau

38 La tomographie par émission de positons permet de diagnostiquer des tumeurs

39 La tomographie positons permet de créer des images 3D de suivre lévolution temporelle du métabolisme dune substance

40 Poids total2950 tonnes Premier étage Poids combustible2150 tonnes Poussée(intensité de la force)3300 tonnes 3300 > 2950 donc la fusée se soulève Vitesse de combustion (durée 160 s)13 tonnes/sec Vitesse éjection2.8 km/s Le rendement est donné par lImpulsion spécifique = Poussée / V.combustion = 253 sec et aussi par (poussée/poids total) = 3300/2950, environ 1 Les voyages dans l Espace le bon vieux SATURNE V:

41 voyages interplanétaires et pré-interstellaires seule l'annihilation matière avec lantimatière aurait les qualités nécessaires pour des …donc, un moteur à antimatière ? type de propulsion impulsion spec. poussée/poids chimique fission nucléaire fusion nucléaire annihilation

42 Le moteur à antimatière On produit (sur Terre) une certaine quantité dantiprotons. On les introduit dans un réservoir: prototype: HIPAT High Performance Antimatter Trap Le plasma est expulsé à grande vitesse. Les antiprotons entrent progressivement en collision avec des pastilles de HLi et provoquent des miniexplosions avec génération de plasma chaud.

43 prototype HIPAT Pennsylvania State University stockage de 10 9 antiprotons

44 ICAN II

45 Antimatière pour les projets dans l'Espace V km/s MassegMasseg 1 g

46 production d'antiprotons Le rendement de la production d'antiprotons augmente d'un facteur 10 chaque 2.5 ans. 1 g/an m p = g

47 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 Antiproton Degrader/Accumulator to Support Advanced Propulsion Research …By the end of the project, we intend to provide a potentially commercial source of low energy antiprotons in portable traps to the research community. USAF BAA Award: storage of positrons for Earth-to orbit propulsion

48 Des étoiles et galaxies pourraient exister, formées dantimatière... Y a-t-il des mondes faits dantimatière ?

49 Recherche de l antimatière antiHe, antiLi,… dans les rayons cosmiques Les rayons cosmiques sont des particules qui proviennent du Cosmos et qui tombent sur la Terre, à tout moment …

50 On recherche de lantimatière dans l espace proche...

51 …on recherche l'antimatière dans l'espace éloigné

52 … très éloigné Satellites et télescopes observent le ciel à la recherche d un signal d annihilation qui serait dû à la rencontre fortuite de matière et antimatière... P + P -> gammas + … e + + e - -> gammas +…

53 Dans les deux cas il faut expliquer comment on a pu former un Univers uniquement de matière (cas a) ou des îlot avec une unique espèce (b). Cela implique qu'il existe un mécanisme de sélection 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'Univers b)des régions de matière et d'antimatière existent mais elles ne sont plus en contact

54 Observation: l'antimatière a disparu Big Bang On pense qu il y a 15 milliards d années le Big Bang a formé lUnivers à partir d une soupe très chaude et dense composée d'un nombre identique de On doit en conclure qu'une légère asymétrie sest donc manifestée juste après le Big Bang qui a permis aux particules de devenir très légèrement plus abondante que les antiparticules. Il nous suffit d'un excès d'une particule sur un milliard ! pour particuleset d' antiparticules

55 ! Zoom sur le Big Bang ! L Univers contient aujourdhui matière un peu de matière et beaucoup de lumière lumière ! la gravitation a finalement assemblé la matière en étoiles et galaxies…

56 un fond de radiation "fossile" ayant une température de 2,7 °K … la lumière issue de la bataille entre matière et antimatière s'est refroidie au cours des millénaires. Aujourd'hui on observe Température du ciel mesurée par COBE °K-0.27 Variation de T sur 10° : ~30 micro°K

57 Quelle est l'origine de l'asymétrie cosmologique ? Les symétries P, C et T P gauche droite C particule antiparticule T inversion temporelle

58 Le monde chimique est symétrique par P

59 Le monde biologique est fortement asymétrique G D (Nombre de droitiers) (N gauchers) (Nombre de droitiers) (N gauchers) Asymétrie = Exemple: Individus droitiers et gauchers, chez l'homme: ( )/(90+10) = 80% en faveur de D Mélange NON racémique, La race humaine n'est pas symétrique par P.. quand on se regarde ds un miroir un voit une personne qui n'existe pas (cœur a gauche, etc. etc.) Les tire-bouchons ont (normalement) une hélicité droite

60 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 de l'orange est dû au "limonène". Dans un cas G, dans l'autre D. snif

61 L'observation de la violation de la Parité en 1956 par C. S. Wu et al. a bouleversé la physique Quand les particules interagissent par l'interaction faible, elles ne respectent pas toujours les symétries P, C et T !

62 Le neutrino est une particule exclusivement "gauche", l'antineutrino est "droit" P est violée à 100% (G - D) / (G + D) = 1

63 Corollaire: C est aussi violée C (particule) = antiparticule miroir « de charge »

64 Qu'en est-il de la combinaison CP ?

65 Est-ce que CP est une symétrie exacte ? Non ! En on observe une petite violation de CP

66 Le système des Kaons neutres a été longtemps le seul exemple de violation de CP. La compréhension de CP est fondamentale pour la physique des particules mais aussi pour la Cosmologie: Les 3 règles de A. Sakharov pour que le Big Bang produise un Univers fait de matière exclusivement sont: 1)les symétries C et CP doivent être violées 2)Le nombre baryonique est aussi violé 3)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.

67 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

68 belle Les européens: Frankfurt Lausanne Ljubljana Moscow Vienna "Petite" collaboration ~200 physiciens Après quelques hésitations, Lausanne a été placée juste !

69 Le programme se poursuivra au CERN...

70 Conclusion 1930: l'hypothèse courageuse de Dirac est confirmée expérimentalement et ouvre la boîte de Pandore Aujourd'hui, l'antimatière fait partie de la routine en médecine. Elle représente aussi un espoir de réaliser la colonisation du système solaire, et au delà, … L'asymétrie matière-antimatière joue un rôle essentiel en Cosmologie. C'est un sujet d'intense attaque théorique et expérimentale en Physique des particules. Animations AD et dessins: CERN, SLAC, KEK Animations PET: B. Tavitian, Orsay et PSI. ICAN, HIPAT sont des projets NASA et PennState University IPHE, Lausanne, May 2002

71 Fin…


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