L'antimatière est comme une substance à tous égards. Ils ont été formés simultanément et à partir d'une seule source. En conséquence, il y en a beaucoup et il n'y en a pratiquement pas d'autre. Il doit y avoir une explication à cela.
Tout ce avec quoi nous entrons en contact dans notre vie est fait de matière. La coupe que nous tenons dans notre main est constituée de molécules, de molécules - d'atomes, d'atomes, contrairement à leur nom («atome» en grec signifie «indivisible») - d'électrons, de protons et de neutrons. Les deux derniers sont appelés «baryons» par les scientifiques. Ils peuvent être divisés davantage, en quarks, et peut-être même plus loin, mais pour l'instant, nous allons nous attarder là-dessus. Ensemble, ils forment la matière.
Comme tous nos lecteurs le savent, la matière a un antipode - l'antimatière. Lorsqu'ils entrent en contact, ils s'annihilent avec la libération d'une très grande énergie - ils s'annihilent. Selon les calculs des physiciens, un morceau d'antimatière de la taille d'une brique, frappant la Terre, peut provoquer un effet proche de l'explosion d'une bombe à hydrogène. À tous autres égards, les antipodes sont similaires: l'antimatière a une masse, les lois de la physique s'y appliquent pleinement, mais sa charge électrique est opposée. Pour un antiproton, il est négatif et pour un positron (antiélectron), il est positif. Et l'antimatière ne se produit pratiquement pas dans la réalité qui nous entoure.
La recherche de l'antimatière
Ou est-ce quelque part là-bas? Il n'y a rien d'impossible dans une telle hypothèse, mais nous vivons dans le monde, même si nous ne pouvons pas serrer la main de nos antipodes. Il est fort possible qu'ils vivent aussi quelque part.
Probablement toutes les galaxies observées aujourd'hui sont composées de matière ordinaire. Sinon, leurs frontières seraient une zone d'annihilation presque continue avec la matière environnante, elle serait visible de loin. Les observatoires de la Terre enregistreraient les quanta d'énergie formés pendant l'annihilation. Jusqu'à ce que cela arrive.
La preuve de la présence dans l'Univers de quantités notables d'antimatière pourrait être la découverte quelque part dans l'espace (sur Terre, en raison de la forte densité de matière, il est clairement inutile de rechercher des noyaux d'antihélium). Deux antiprotons, deux antineutrons. Les antiparticules qui composent un tel noyau sont régulièrement produites lors de collisions de particules de haute énergie dans des accélérateurs terrestres et naturellement lorsque la matière est bombardée par les rayons cosmiques. Leur découverte ne nous dit rien. Mais l'anthélium peut se former de la même manière si quatre de ses particules constitutives naissent simultanément au même endroit. Cela ne peut pas être qualifié de totalement impossible, mais un tel événement dans tout l'Univers se produit environ une fois tous les quinze milliards d'années, ce qui est tout à fait comparable à l'époque de son existence.
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Préparation au lancement d'un ballon avec un détecteur de particules spatiales dans le cadre de l'expérience BESS. Le détecteur est visible au premier plan et pèse 3 tonnes. / & copie; i.wp-b.com
Par conséquent, la détection de l'antihélium peut bien être considérée, sinon comme une salutation des antipodes, alors comme une preuve que quelque part dans les profondeurs de l'espace, un morceau d'antimatière de taille décente flotte. Donc ça a volé à partir de là.
Hélas, des tentatives répétées de recherche d'anthélium dans les couches supérieures de l'atmosphère terrestre ou à son approche n'ont pas encore abouti. Bien entendu, c'est le cas lorsque «l'absence de traces de poudre à canon sur les mains ne prouve rien». Il se peut bien qu'il soit juste très loin pour voler (de l'ordre de milliards d'années-lumière), et entrer dans un petit détecteur sur une petite planète est encore plus difficile. Et bien sûr, si le détecteur était plus sensible (et plus cher), nos chances de succès seraient plus élevées.
Les anti-étoiles, s'ils se trouvaient dans la nature, au cours de réactions thermonucléaires, généreraient le même flux d'antineutrinos que les étoiles ordinaires - le flux de leurs antipodes. Les mêmes antineutrinos devraient être formés lors des explosions antisupernova. Jusqu'à présent, ni l'un ni l'autre n'ont été découverts, mais il convient de noter que l'astronomie des neutrinos fait généralement ses premiers pas.
Detector Sudbury Neutrino Observatory (SNO), Canada. / & copie; squarespace.com
Dans tous les cas, nous ne disposons pas encore d'informations fiables sur l'existence de quantités appréciables d'antimatière dans l'Univers.
C'est bon et mauvais à la fois. C'est mauvais parce que, selon les concepts modernes, dans les premiers instants après le Big Bang, la matière et l'antimatière se sont formées. Par la suite, ils se sont anéantis, donnant lieu à des reliques de rayonnement cosmique. Le nombre de photons qu'il contient est très grand, il est environ un milliard de fois supérieur au nombre de baryons (c'est-à-dire de protons et de neutrons) dans l'Univers. En d'autres termes, parfois, au début des temps, la substance de l'Univers s'est avérée être un milliardième de plus que l'antimatière. Puis tout le «superflu» a disparu, anéanti, et un milliardième est resté. Le résultat est ce que l'on appelle l'asymétrie baryonique dans la littérature spécialisée.
Pour les physiciens, le déséquilibre est un problème car il doit être expliqué d'une manière ou d'une autre. Au moins dans le cas d'objets qui, à tous autres égards, se comportent symétriquement.
Mais pour nous (y compris les physiciens), c'est bien, car avec les mêmes quantités de matière et d'antimatière, une annihilation complète se produirait, l'Univers serait vide et il n'y aurait personne pour poser des questions.
Conditions de Sakharov
Les scientifiques ont réalisé l'existence d'un grand problème cosmologique au milieu du 20e siècle. Les conditions dans lesquelles l'Univers devient tel que nous le voyons ont été formulées par Andrei Sakharov en 1967 et sont depuis lors un "lieu commun" de la littérature thématique, du moins en russe et en anglais. Dans une forme très simplifiée, ils ressemblent à ceci.
Premièrement, dans certaines conditions, qui existaient probablement dans l'Univers primitif, les lois de la physique fonctionnent encore différemment pour la matière et l'antimatière.
Deuxièmement, dans ce cas, le nombre de baryons peut ne pas être conservé, c'est-à-dire que le nombre de baryons après la réaction n'est pas égal à celui avant elle.
Troisièmement, le processus doit se dérouler de manière explosive, c'est-à-dire qu'il doit être hors équilibre. C'est important, car à l'équilibre, les concentrations de substances ont tendance à s'égaliser, et nous devons obtenir quelque chose de différent.
A. D. Sakharov, fin des années 1960. / & copie; thematicnews.com
C'est là que s'arrête la partie généralement acceptée de l'explication, puis les hypothèses régneront dans un demi-siècle. Le plus faisant autorité pour le moment relie l'incident à l'interaction électrofaible. Regardons-la de plus près.
L'espace d'ébullition
Pour expliquer ce qui est arrivé à notre matière, nous devrons forcer notre imagination et imaginer qu'il existe un certain champ dans l'Univers. On ne sait encore rien de son existence et de ses propriétés, si ce n'est qu'elle est associée à la distribution de la matière et de l'antimatière dans l'espace et est dans une certaine mesure similaire à la température à laquelle nous sommes habitués, en particulier, elle peut prendre des valeurs de plus en plus petites, jusqu'à un certain niveau, qui peuvent être assimilées point d'ébullition.
Au départ, la matière dans l'univers est dans un état mixte. Il fait très «chaud» autour - les citations pourraient être omises ici, car la température habituelle est également très élevée, mais nous parlons de son analogue imaginaire. Cet analogique "bout" - la valeur maximale.
Au fur et à mesure que l'espace se dilate, les «gouttes» commencent à se condenser à partir de la «vapeur» initiale, dans laquelle elle est «plus froide». Jusqu'à présent, tout a exactement la même apparence qu'avec l'eau - si la vapeur surchauffée se trouve dans un récipient dont le volume augmente assez rapidement, un refroidissement adiabatique se produit. S'il est assez fort, une partie de l'eau tombera sous forme de liquide.
Eau condensée de la vapeur. / & copie; 3.bp.blogspot.com
Quelque chose de similaire se produit avec la matière dans l'espace. Au fur et à mesure que le volume de l'Univers augmente, le nombre et la taille des «gouttes» augmentent. Mais alors quelque chose commence qui n'a pas d'analogies dans le monde auquel nous sommes habitués.
Les conditions de pénétration des particules et des antiparticules dans les "gouttes" ne sont pas les mêmes, c'est un peu plus facile pour les particules de le faire. En conséquence, l'égalité initiale des concentrations est violée, dans le «liquide» condensé, il y a un peu plus de substance et dans la «phase d'ébullition» - son antipode. Dans ce cas, le nombre total de baryons reste inchangé.
Et puis, dans la "phase d'ébullition", les effets quantiques des champs électrofaibles en interaction commencent à agir, ce qui, semble-t-il, ne devrait pas changer le nombre de baryons, mais en réalité égaliser le nombre de particules et d'antiparticules. À proprement parler, ce processus se déroule également en «gouttes», mais là, il est moins efficace. Ainsi, le nombre total d'antiparticules est réduit. Ceci est écrit brièvement et, bien sûr, très simplifié, en fait, tout est beaucoup plus intéressant, mais nous n'entrerons pas dans la théorie profonde maintenant.
Deux effets s'avèrent être essentiels pour expliquer la situation. L'anomalie quantique des interactions électrofaible est un fait observé, elle a été découverte en 1976. La différence de probabilité de pénétration des particules dans la zone de condensation est un fait calculé et donc hypothétique. Le champ lui-même, qui «bout» puis se refroidit, n'est pas encore détecté. Lors de la formation de la théorie, on a supposé qu'il s'agissait du champ de Higgs, mais après la découverte du célèbre boson, il s'est avéré que cela n'avait rien à voir avec cela. Il est fort possible que son ouverture soit toujours en attente dans les coulisses. Ou peut-être pas - et alors les cosmologistes devront inventer d'autres explications. L'univers attend cela depuis quinze milliards d'années, il peut en attendre un autre.
Sergey Sysoev