Nous vivons dans un univers où il y a beaucoup de matière et, dans l'ensemble, il n'y a pas d'antimatière du tout. Deux de nos lecteurs veulent savoir ce qu'est l'antimatière et un physicien leur donne une réponse à cette question.
Antimatière. De ce mot respire des livres et des films fascinants dans lesquels les méchants obtiennent des explosifs d'antimatière ou des vaisseaux spatiaux voyagent avec ce carburant.
Mais qu'est-ce que cette substance - qu'est-ce que, en substance, l'antimatière?
Les lecteurs de Wiedenskub aimeraient beaucoup le savoir. Ils ont lu certains des nombreux articles que nous avons publiés sur les expériences de physiciens avec l'antimatière, mais ils aimeraient en savoir plus.
Premièrement, nous devons clarifier que l'antimatière des physiciens ne doit pas être confondue avec les anticorps que nous connaissons en biologie et en médecine. Les anticorps (également appelés immunoglobulines) sont des composés protéiques spéciaux qui font partie de la défense de l'organisme contre les maladies. Ils peuvent se lier à des molécules étrangères et ainsi protéger l'organisme des microorganismes et des virus.
Mais ici, nous n'en parlerons pas. Nous avons contacté un scientifique du monde de la physique: Nikolaj Zinner, professeur au Département de physique et d'astronomie de l'Université d'Aarhus, se fera un plaisir de nous parler de l'antimatière.
Substance avec charge opposée
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«Toutes ces particules qui, comme nous le savons, sont dans la nature, tout ce dont notre monde se compose, existent en variantes avec la charge opposée. C'est de l'antimatière », déclare Nikolai Sinner.
«L'antimatière a exactement le même aspect et a la même masse que la matière ordinaire, mais elle a exactement la charge opposée. Par exemple, les positrons chargés positivement ont des électrons chargés négativement. Les positrons sont des antiparticules d'électrons."
Il n'y a donc rien de fondamentalement inhabituel dans l'antimatière. C'est juste une substance avec une charge opposée à la substance dans l'environnement dans laquelle nous nous trouvons habituellement. Mais pourquoi il y en a si peu n'est qu'un mystère, et nous y reviendrons plus tard.
«Dans la vie de tous les jours, nous ne rencontrons pas d'antimatière, mais cela se produit dans de nombreuses situations, par exemple, lors de la désintégration radioactive, sous l'influence du rayonnement cosmique et dans les accélérateurs. Il disparaît à nouveau très rapidement. Lorsqu'un positron rencontre un électron, le résultat est une énergie pure sous la forme de deux particules lumineuses à haute énergie - les quanta.
Disparaît dans un éclair de lumière
«Voici un électron et un positron, ils ont des charges opposées, donc ils attirent. Ils peuvent être très proches les uns des autres et lorsque cela se produit, ils fusionnent et forment deux photons. Ceci est une conséquence des lois de la nature, - dit Nikolai Sinner. "La masse de deux particules est convertie en énergie sous la forme de deux particules - des quanta de rayonnement gamma."
«Si vous aviez beaucoup d'antimatière et que vous la laissiez entrer en contact avec de la matière ordinaire, vous provoqueriez une réaction très puissante. Et vice versa: l'énergie peut être convertie en matière et en antimatière, et cela se produit dans les accélérateurs de particules."
Utilisé dans les scanners médicaux
C'est ce phénomène, lorsque la rencontre de la matière et de l'antimatière conduit à leur disparition et à la libération d'énergie, est probablement la première chose qui fascine les auteurs de science-fiction.
Par exemple, l'antimatière joue un rôle important dans Angels and Demons de Dan Brown et dans Star Trek, les navires interstellaires fonctionnent à l'antimatière.
Mais dans le monde réel, l'antimatière a une application plus pacifique.
L'antimatière sous forme de positrons provenant de la désintégration des matières radioactives est utilisée dans les hôpitaux dans les scanners TEP (tomographie par émission de positons), qui peuvent prendre des photos d'organes internes et y détecter des processus malsains.
«L'antimatière n'est donc pas si mystique que ça. C'est une partie de la nature que nous aimons utiliser », déclare Nikolai Sinner.
Nous nous exposons également à l'antimatière en mangeant des bananes. Ils contiennent du potassium, qui est légèrement radioactif et libère des positons lorsqu'il se désintègre. Toutes les 75 minutes environ, une banane émet un positron, qui entre rapidement en collision avec un électron et se transforme en deux photons gamma.
Mais tout cela n'est absolument pas dangereux. Pour obtenir une dose de rayonnement qui correspond à ce que l'on obtient en prenant une radiographie, il va falloir consommer plusieurs centaines de bananes.
C'était prédit avant même la découverte
Vous pouvez mieux comprendre ce qu'est l'antimatière si vous regardez l'histoire de sa découverte. Fait intéressant, l'existence de l'antimatière a été prédite avant même sa découverte.
Dans les années 1920, il s'est avéré qu'une nouvelle théorie appelée mécanique quantique était parfaite pour décrire les plus petites particules de matière - les atomes et les particules élémentaires. Mais il n'était pas si facile de combiner la mécanique quantique avec la deuxième grande théorie du XXe siècle, la théorie de la relativité.
Le jeune physicien britannique Paul Dirac s'est précipité pour résoudre ce problème et a réussi à dériver une équation combinant la mécanique quantique et la relativité restreinte.
À l'aide de cette équation, il est devenu possible de décrire le mouvement d'un électron, même si sa vitesse s'approchait de la vitesse de la lumière.
Mais l'équation a préparé une surprise. Il avait deux solutions, tout comme l'équation "x² = 4": x = 2 et x = -2 ". Autrement dit, il pourrait décrire non seulement l'électron bien connu, mais aussi une autre particule - un électron à énergie négative.
Découvert dans la cellule de Wilson
Ensuite, ils ne savaient rien des particules à énergie négative, et Paul Dirac a interprété sa découverte comme suit: il peut y avoir une particule qui est exactement la même qu'un électron, à l'exception de la charge opposée.
Si l'électron a une charge négative, alors il doit y avoir une particule correspondante avec une charge positive. Selon les calculs, la même règle devrait s'appliquer à toutes les particules élémentaires, c'est-à-dire en général toutes les particules qui composent le monde.
Et c'est ainsi que la chasse à l'antiélectron a commencé. Le physicien américain Carl Anderson a utilisé une caméra à brouillard (alias la caméra de Wilson) pour détecter des traces de particules de l'espace qui ont la même masse qu'un électron, mais avec la charge opposée.
C'est ainsi que l'antiélectron de Dirac a été découvert, appelé positron - abréviation de «électron positif». A partir de ce moment, pas à pas, de nouvelles antiparticules ont été découvertes.
L'univers était de l'énergie pure au début
Dirac a suggéré que les étoiles lointaines - peut-être la moitié de tout ce que nous voyons dans le ciel - peuvent être composées d'antimatière, pas de matière. Cela découle, par exemple, de son discours qu'il a prononcé en acceptant le prix Nobel de physique en 1933.
Mais aujourd'hui, nous savons que tout dans l'univers n'est constitué que de matière et non d'antimatière. Et c'est vraiment mystérieux, car au début de l'existence de l'univers, il aurait dû y avoir à peu près la même quantité des deux, explique Nikolai Sinner.
«Si nous commençons à rembobiner le développement de l'univers, l'énergie deviendra de plus en plus. La densité augmentera, la température augmentera. Enfin, tout se transformera en énergie pure - des particules porteuses d'énergie ou de force comme les photons. Ce fut le début de l'univers, selon nos théories cosmologiques les plus courantes."
«Et si nous avançons à nouveau à partir de ce point de référence, alors à un moment donné, l'énergie devra commencer à se convertir en matière. Il est parfaitement possible de créer de la matière à partir d'énergie pure, mais dans ce cas, vous obtenez autant d'antimatière que de matière. C'est le problème - vous vous attendez à la même quantité des deux."
«Il doit y avoir une loi de la nature qui est responsable du fait qu'aujourd'hui il y a plus de matière que d'antimatière. Et rien de plus ne peut être dit sur ce déséquilibre. Et ainsi cette asymétrie pourrait être expliquée."
Les neutrinos aideront à résoudre l'énigme
La grande question est de savoir où chercher dans les lois de la nature la raison de la victoire de la matière sur l'antimatière. Les physiciens essaient de comprendre cela par des expériences.
Au Centre de recherche du CERN en Suisse, l'antimatière est produite et piégée dans des champs magnétiques, et grâce à une série d'expériences avec l'antihydrogène, les physiciens tentent de trouver une réponse à la question de savoir si la matière et l'antimatière sont des images miroir exactes l'une de l'autre.
Il y a peut-être encore une petite différence entre eux, à l'exception de la charge, et cette différence aidera à expliquer pourquoi il y a tant de matière dans l'univers par rapport à l'antimatière.
Géré pour créer de l'anthélium
Comme l'antimatière est très rare et disparaît rapidement lorsqu'elle rencontre une substance, il n'y a pas de molécules d'antimatière dans la nature, et seules ses plus petites molécules peuvent être créées.
En 2011, des scientifiques américains ont réussi à créer de l'anthélium. Il n'y avait pas d'atomes plus gros.
Chez Wiedenskab, nous avons beaucoup écrit sur ces expériences, qui jusqu'à présent démontrent que l'antimatière se comporte exactement de la même manière que la matière, ce qui, par exemple, est décrit dans l'article «Le scientifique d'Aarhus a effectué les mesures d'antihydrogène les plus précises de l'histoire». Et, peut-être, résoudre cette énigme nous aidera à trouver des particules élémentaires appelées neutrinos. Nous avons écrit à ce sujet dans l'article "L'expérience de la glace révélera le secret de la matière".
«Nous pouvons espérer trouver la réponse dans le neutrino, car nous savons déjà qu'il se comporte étrangement. Il y a de nombreuses lacunes dans la physique ici, il serait donc sage de commencer à creuser ici », déclare Nikolai Sinner.
L'antimatière elle-même n'est pas si mystique que cela, mais les physiciens n'ont pas encore compris pourquoi il y a tellement plus de matière que d'antimatière dans l'univers aujourd'hui. Ils travaillent sur cette question.
Henrik Bendix
