Sciences · Physique
L’antimatière
L’antimatière est composée d’antiparticules : même masse que les particules ordinaires, mais charge électrique opposée. Au contact de la matière, elle s’annihile en libérant toute sa masse sous forme d’énergie.
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L’antimatière n’est pas de la science-fiction : elle est produite chaque jour dans les accélérateurs, dans les rayons cosmiques, dans certaines désintégrations radioactives et même dans les hôpitaux, où elle sert à l’imagerie médicale. Ce qui reste mystérieux, c’est pourquoi elle est presque absente de l’Univers, alors que la physique semble la traiter à égalité avec la matière.
Particules et antiparticules
| Particule | Charge | Antiparticule | Charge |
|---|---|---|---|
| Électron | −1 | Positon (ou positron) | +1 |
| Proton | +1 | Antiproton | −1 |
| Neutron | 0 | Antineutron | 0 (mais composé d’antiquarks) |
| Quark up | +2/3 | Antiquark up | −2/3 |
| Photon | 0 | le photon est sa propre antiparticule | 0 |
Toutes les particules élémentaires de matière ont une antiparticule.
Une prédiction théorique devenue réalité
- 1928 : le physicien britannique Paul Dirac écrit une équation qui réconcilie la mécanique quantique et la relativité restreinte pour décrire l’électron. Elle admet des solutions inattendues, qu’il interprète en 1931 comme une particule de même masse que l’électron mais de charge positive.
- 1932 : l’Américain Carl Anderson observe dans une chambre à brouillard, en étudiant les rayons cosmiques, la trace d’une particule légère et positive : le positon. Dirac (1933) et Anderson (1936) reçoivent le prix Nobel de physique.
- 1955 : l'antiproton est produit à l’accélérateur de Berkeley par Emilio Segrè et Owen Chamberlain (prix Nobel 1959).
- 1995 : les premiers atomes d'antihydrogène sont fabriqués au CERN — neuf atomes, détruits en quelques milliardièmes de seconde.
- 2010-2011 : l’expérience ALPHA du CERN piège des atomes d’antihydrogène pendant une fraction de seconde, puis plusieurs minutes.
- 2023 : ALPHA montre que l’antihydrogène tombe vers le bas sous l’effet de la gravité, comme la matière ordinaire.
L’annihilation : E = mc² dans sa forme pure
Quand une particule rencontre son antiparticule, elles s'annihilent : leur masse disparaît entièrement et se transforme en énergie, le plus souvent sous forme de photons gamma. Un électron et un positon produisent ainsi deux photons de 511 keV, émis dans des directions opposées.
C’est la conversion la plus efficace possible de la masse en énergie : 100 %, contre environ 0,1 % pour la fission nucléaire.
L’inverse existe aussi : un photon gamma assez énergétique peut se matérialiser en une paire électron-positon. C’est ce qui se passe dans les accélérateurs, où l’énergie des collisions crée des paires particule-antiparticule.
Où trouve-t-on de l’antimatière ?
- Dans les accélérateurs : le CERN dispose d’un « décélérateur d’antiprotons » qui ralentit les antiprotons pour les étudier.
- Dans la radioactivité bêta plus : certains noyaux riches en protons émettent des positons (voir radioactivité). Le potassium 40, présent dans le corps humain et dans les bananes, en émet très rarement.
- Dans les rayons cosmiques et lors des orages : des satellites ont détecté des positons produits par des éclairs.
- À l’hôpital : la tomographie par émission de positons (TEP, ou PET-scan) injecte un traceur faiblement radioactif, souvent un sucre marqué au fluor 18, qui émet des positons. Leur annihilation avec les électrons des tissus produit des paires de photons que la caméra détecte. On localise ainsi les zones très actives, comme certaines tumeurs.
Le grand mystère : où est passée l’antimatière ?
Selon la théorie du Big Bang, l’énergie primordiale aurait dû produire autant de matière que d’antimatière, qui se seraient ensuite annihilées entièrement, ne laissant qu’un bain de lumière. Or l’Univers est fait de matière : galaxies, étoiles, planètes. On n’observe aucune région importante faite d’antimatière, qui produirait un rayonnement gamma caractéristique à ses frontières.
Il a donc fallu, dans les premiers instants, un léger excès de matière : de l’ordre d’une particule supplémentaire pour un milliard de paires. En 1967, le physicien soviétique Andreï Sakharov énonce les conditions nécessaires à un tel déséquilibre, dont une différence de comportement entre matière et antimatière (la violation de la symétrie CP). Cette violation a bien été observée, dès 1964 dans les mésons K, mais elle est trop faible dans le modèle standard pour expliquer l’asymétrie. L’origine de cet excès reste l’une des grandes questions ouvertes de la physique.
L’antimatière comme carburant ?
Elle est souvent évoquée en science-fiction pour la propulsion spatiale. En pratique, sa production est extrêmement coûteuse et lente : l’énergie dépensée pour la fabriquer dépasse de très loin celle qu’elle restitue, et on ne sait la conserver qu’en quantités infimes dans des pièges électromagnétiques sous vide. Ce n’est pas une source d’énergie, tout au plus un moyen de la stocker, et très peu efficace.
Questions fréquentes
L’antimatière existe-t-elle vraiment ?
Oui. On en produit régulièrement dans les accélérateurs, on l’observe dans les rayons cosmiques et elle sert en médecine avec la tomographie par émission de positons.
Que se passe-t-il quand matière et antimatière se touchent ?
Elles s’annihilent : leur masse est entièrement convertie en énergie, généralement en rayons gamma.
L’antimatière tombe-t-elle vers le haut ?
Non. En 2023, l’expérience ALPHA-g du CERN a montré que l’antihydrogène tombe vers le bas, avec une accélération compatible avec celle de la matière ordinaire.
Pourquoi y a-t-il plus de matière que d’antimatière ?
On ne le sait pas encore. Il a fallu un très léger déséquilibre dans les premiers instants de l’Univers, mais le mécanisme exact reste inconnu.