Antiparticules Antimondes Antimatière Matière v9.1 A. Bay Octobre 2003

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

les symétries syn-: ensemble metron : mesure

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

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

A toute symétrie des lois de voir http://www.emmynoether.com La physique des particules d'aujourd'hui est basée sur les travaux de Amalie (Emmy) Noether En 1915 elle montre que: A toute symétrie des lois de la physique, on doit pouvoir associer une loi de conservation et réciproquement. Conservation de la quantité de mouvement Invariance par translation Invariance de jauge Conservation de la charge

Le modèle atomique en ~1930 La matière est constituée d ’atomes, les atomes contiennent le noyau formé de protons et de neutrons autour duquel orbitent les électrons 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.

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

L'équation de Dirac E2 = m2c4 + p2c2 - la solution de cette équation comporte 2 composantes: 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. Origine des deux composantes: E2 = m2c4 + p2c2

… 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. électron proton ? E>0 E<0

Le "trou" peut-il représenter le proton ? 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 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 ?

La découverte du positon les antiparticules des électrons, nommées positons, ont été observées au CAL-Tech par C. D. Anderson en 1932. positon électron

BEBC au Cern Le détecteur BEBC du CERN

Particules Antiparticules miroir « de charge » électron charge - positon charge + particules et antiparticules ont des charges opposées et une même masse m ! Pour produire un couple électron-positon il faut disposer d’une ENERGIE > 2 m c2 rayon gamma positon et électron se matérialisent

L'annihilation d'un couple particule & antiparticule Quand un électron rencontre un positon, il y a annihilation et on récupère l’énergie E= 2 m c2 ce sont deux rayons gamma d ’énergie >mc2 chacun, que l’on peut observer avec des détecteurs e+ + e- —> g g (les ondes électromagnétiques: radio, infrarouge, visible, ultraviolet, rayons X, gamma)

Le modèle standard des particules

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

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

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

Production d ’antiprotons lents freinage des anti-p beaucoup de particules après le choc expériences anneau d’accélération p rapides cible sélection d’anti-p faisceau de p p = protons (noyaux d’hydrogène)

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

production 2

Production de l’antiHydrogène

Assemblage de l’antiHydrogène dans des pièges de Penning entrée des positons Assemblage de l’antiHydrogène dans des pièges de Penning piège à positons - région de rencontre piège à anti-p entrée des antiprotons

antiH

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' antiH2 • Production et étude d' antiD . . . …

Tomographie par émission de positons Petite pause technologique 1: Tomographie par émission positons 2: les voyages dans l'Espace Tomographie par émission de positons

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

Isotopes pour TEP

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

Possibilités de la TEP: Images 3D Suivi de évolution temporelle du métabolisme d’une substance Diagnostiquer des tumeurs

Les voyages dans l ’Espace le bon vieux SATURNE V: Poids total 2950 tonnes Premier étage Poids combustible 2150 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 éjection 2.8 km/s Le rendement est donné par l’Impulsion spécifique = Poussée / V.combustion = 253 sec et aussi par (poussée/poids total) = 3300/2950 , environ 1

voyages interplanétaires et pré-interstellaires type de propulsion impulsion spec. poussée/poids chimique 200-400 0.1 - 10 fission nucléaire 500-3000 0.1 - 10 fusion nucléaire 10 4 - 10 5 10 -5 - 10 -2 annihilation 10 3 - 10 6 10 -3 - 1 seule l'annihilation matière avec l’antimatière aurait les qualités nécessaires pour des voyages interplanétaires et pré-interstellaires …donc, un moteur à antimatière ?

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

prototype HIPAT Pennsylvania State University but: stockage de 109 antiprotons

ICAN II

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

production d'antiprotons 1 mg/an mp = 1.67 10-24 g 1955 2010 Le rendement de la production d'antiprotons augmente d'un facteur 10 chaque 2.5 ans.

Des réservoirs d'énergie à antiparticules ? R&D dans la production, stockage et utilisation de l'antimatière Los Alamos 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 1015 positrons for Earth-to orbit propulsion

Y a-t-il des mondes faits d’antimatière ? Des étoiles et galaxies pourraient exister, formées d’antimatière...

On recherche de l’antimatière dans l ’espace proche ...

…on recherche l'antimatière dans l'espace éloigné

… très éloigné Recherche d ’un signal d ’annihilation qui serait dû à la rencontre fortuite de matière et antimatière... … très éloigné P + P -> gammas + … e+ + e- -> gammas

… jusqu ’à présent: aucun signal reçu du Cosmos. On a deux possibilités: il n'y a plus d'antimatière du tout dans l'Univers des régions de matière et d'antimatière existent mais elles ne sont plus en contact 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: de son image MATIERE ANTIMATIERE ?

Observation: l'antimatière a disparu On pense qu ’il y a 15 milliards d ’années le Big Bang a formé l’Univers à partir d ’une soupe très chaude et dense composée d'un nombre identique de particules et d' antiparticules Observation: l'antimatière a disparu On doit en conclure qu'une légère asymétrie s’est 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 ! 1000000001 pour 1000000000

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

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 un fond de radiation "fossile" ayant une température de 2,7 °K Température du ciel mesurée par COBE Variation de T sur 10° : ~30 micro°K -0.27 +0.27 °K

Quelle est l'origine de l'asymétrie cosmologique ? Les symétries P, C et T: P gauche droite (r en -r) C particule antiparticule (q en -q,…) T inversion temporelle (v en -v, …)

Le monde chimique est symétrique par P Dans un laboratoire de chimie, on synthétise autant de ces molécules "gauches" que "droites" (on forme un mélange racémique)

Le monde biologique est fortement asymétrique G´ D Exemple: Individus droitiers et gauchers, chez l'homme: (Nombre de droitiers) - (N gauchers) + Asymétrie = (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 . quand on se regarde ds un miroir un voit une personne qui n'existe pas (cœur a gauche, etc. etc.)

Le monde biologique est fortement asymétrique G.-D. Le camphre synthétique est racémique. Le "camphrier du Japon" produit seulement du D. snif snif Le parfum du citron et de l'orange est dû au "limonène". Dans un cas G, dans l'autre D.

100% violation de P dans le DNA

L'observation de la violation de la Parité en 1956 par C. S. Wu et al 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 !

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

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

Qu'en est-il de la combinaison CP ?

Est-ce que CP est une symétrie exacte. Non Est-ce que CP est une symétrie exacte ? Non ! En 1964 - 67 on observe une petite 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: les symétries C et CP doivent être violées Le nombre baryonique est aussi violé L'Univers est hors équilibre Le système des Kaons neutres a été longtemps le seul exemple de violation de CP. CP est un des mystères les plus profonds de la physique. Plusieurs expériences ont été, sont et seront consacrées à son étude.

Source de la violation de CP Hamiltonien H = H0 + HCP HCP responsable de la violation de CP. Prendre HCP = gH + g*H† avec g un couplage. (le g*H† sert à garantir l'hermiticité) . Si CP: H  H† c.à.d. CP H CP† = H† alors CP HCP CP† = CP (gH + g*H†) CP† = gH† + g*H invariance par CP: HCP = CP HCP CP†  gH + g*H† = gH† + g*H Donc CP est violé si g  g* c. à d. quand g n'est pas réél La violation de CP est associée à la presence de phases dans H

Violation de CP et Modèle Standard u W Vud Les transitions quark(i)  quark(j) sont décrites par les paramètres Vij , introduits par N. Cabibbo pour i,j=u, d, s ... il faut donc essayer d'obtenir Vij complexe ! Dans les '60 on avait seulement u, d, s. Le c fut introduit en 1970 (Glashow, Iliopoulos, Maiani), observé en 1974. En 1972 Kobayashi & Maskawa montrent que, pour avoir la violation de CP, V doit être au minimum 3x3  prédiction de l'existence des 3 familles de quarks du SM: (u, d), (c, s), (t, b) Le dernier quark, t, a été observé 25 ans plus tard !

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

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

CP violée avec les mesons B0

Le programme se poursuivra au CERN...   

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 LPHE, Lausanne, Octobre 2003

Fin…