Où est passée l antimatière?

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1 Où est passée l antimatière? CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T1 Lors du big-bang, à partir de l énergie disponible, il se crée autant de matière que d antimatière. Alors, où est passée l antimatière? Existe-t-il des galaxies d antimatière ou bien l antimatière a- t-elle disparu de l Univers? 1

2 L antimatière Qu est-ce que la matière? Pourquoi de l antimatière? Où et comment produit-on de l antimatière? Que faire avec de l antimatière? Et notre univers? CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T2 2

3 Qu est-ce que la matière? matière atome électron proton quarks Photo CERN noyau neutron nombre de protons du noyau = nombre d électrons de l atome caractérise l élément chimique un élément peut avoir plusieurs isotopes qui différent par le nombre de neutrons de leur noyau CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T3 Si on fait des zooms successifs sur de la matière, du cuivre par exemple, on voit que la matière est composée d atomes tous identiques. En zoomant sur les atomes, on voit qu ils sont composés d un noyau très compact entouré d électrons très petits. Chaque électron porte une charge électrique négative, et le noyau une charge électrique positive égale à la somme des charges des électrons. En zoomant sur le noyau, on s aperçoit que lui-même est composé de particules appelées des nucléons. Il y en a de 2 sortes : des protons et des neutrons. Les protons portent chacun une charge électrique positive. Ils sont en nombre égal au nombre d électrons. Les neutrons leur sont très semblables sauf qu ils n ont pas de charge électrique. En zoomant sur les nucléons, on voit qu ils sont eux-mêmes composés de 3 particules appelées des quarks. Et en zoomant sur les quarks, on ne sait pas encore Le nombre d électrons, et donc le nombre de protons qui lui est égal, détermine les propriétés chimiques de l élément. Ainsi, les noyaux d hydrogène ont un seul proton, ceux de cuivre en ont 29 et ceux d uranium 92. Par contre, le nombre de neutrons n est pas unique : ainsi, les noyaux stables de cuivre peuvent avoir 34 ou 36 neutrons ; ce qui, compte tenu des 29 protons, correspond aux isotopes «cuivre 63» et «cuivre 65». 3

4 Petite histoire de l antimatière Maxwell Électromagnétisme électron 1906 : Einstein Relativité restreinte relativiste 1926 : Schrödinger Mécanique Quantique avec spin 1929 : Dirac CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T4 Les lois de l électromagnétisme découvertes au XIXème siècle par James Clerk Maxwell décrivaient le comportement de l électron. En 1906, la théorie de la relativité introduite par Albert Einstein a permis de décrire le comportement de l électron quand sa vitesse s approche de celle de la lumière. En 1926, la Mécanique Quantique dont Erwin Schrödinger fut un des principaux fondateurs a permis de décrire l électron en tenant compte de son spin. Mais décrire le comportement quantique d un électron relativiste avec spin restait à faire. Le jeune physicien Paul A. M. Dirac réussit à le faire dès Albert Einstein a eu le prix Nobel en Paul A. M. Dirac et Erwin Schrödinger ont eu le prix Nobel en

5 Problème L équation de Dirac a 2 solutions! Que signifie la deuxième solution? Rien? Électron d énergie négative Une particule de charge +1??? Le proton? Mais sa masse est 2000 fois plus grande l électron???? Dirac invente l antiélectron en 1930 Plomb e électron e + positron 1932 : Anderson découvre le positron dans les rayons cosmiques CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T5 Une nouvelle question surgit alors car l équation formulée par Dirac avait deux solutions. La première décrivait parfaitement le comportement de l électron. Mais la deuxième correspondait-elle aussi à une réalité physique ou à rien? Elle correspondait à un électron d énergie négative, ce qui n avait pas de sens. Pour avoir une énergie positive, il fallait supposer que la charge électrique était positive et un débat s instaura sur l identité de cette particule positive. La plus légère connue était le proton, mais sa masse égale à 2000 fois celle de l électron en faisait un partenaire très peu ressemblant. Finalement, quelques physiciens, dont Paul A. M. Dirac, imaginèrent l existence d un «anti-électron», ou positron, de même masse que l électron, mais portant une charge électrique positive. Et le plus étonnant est que ce positron fut observé très peu de temps après, en 1932, par un autre jeune physicien anglais, Carl D. Anderson : il étudiait les rayons cosmiques avec un détecteur comportant un champ magnétique. Ce détecteur déviait la trajectoire des particules dans un sens ou dans l autre selon le signe de la charge électrique, et il observa «des électrons chargés positivement», c est-à-dire des positrons. Sur la photo provenant de la chambre à brouillard que Carl D. Anderson avait construite, la direction de la trajectoire est déterminée grâce à la plaque de plomb horizontale qui ralentit la particule : la trajectoire est plus incurvée après le passage ; on voit donc que la particule se dirige vers le haut. Le sens de rotation dans le champ magnétique permet alors de déterminer que la charge est positive. Enfin, la grande longueur de la trajectoire permet de dire qu il s agit d une particule beaucoup plus légère que le proton qui aurait été ralenti beaucoup plus vite dans la chambre à brouillard. 5

6 L antimatière électron e proton p + + e + positron p antiproton neutron n n antineutron photon γ γ photon même masse même durée de vie charge opposée etc. CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T6 Alors, puisque l antiélectron existe, il pourrait bien exister aussi des antiprotons, des antineutrons, etc C est le cas. À chaque particule on peut associer son antiparticule qui a la même masse, la même durée de vie que la particule, mais une charge électrique opposée. Les autres nombres quantiques non nuls changent également de signe, ce qui fait que l antineutron est différent du neutron. Par contre, on peut remarquer une particularité étonnante : le photon est sa propre antiparticule. Dans la suite, la matière est en vert, l antimatière en rouge et le rayonnement (les photons), en noir. Les antiparticules sont notées avec une barre au-dessus (sauf le positron et le photon). 6

7 Comment fabriquer de l antimatière? Matérialisation E = M c 2 Collision énergie matière + antimatière La masse du proton = 2000 fois la masse de l électron énergie 2000 fois plus grande pour créer p + p que pour créer e + e + CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T7 Les physiciens ont alors cherché à fabriquer un antiproton ou un antineutron. La célèbre loi d Einstein E=Mc 2 qui donne l équivalence entre masse et énergie indique la voie à suivre pour fabriquer des particules massives à partir d énergie. Il faut remarquer que les lois de conservation font que l énergie est alors transformée en exactement autant de matière que d antimatière, problème sur lequel nous reviendrons. Mais, expérimentalement, la principale difficulté était que la masse du proton étant 2000 fois celle de l électron, il fallait disposer de 2000 fois plus d énergie pour le produire. Comme les accélérateurs de particules de cette époque ne permettaient pas de disposer de suffisamment d énergie, de nouveaux accélérateurs plus puissants ont été construits aux USA dans le but de fabriquer des antiprotons. 7

8 À la découverte de l antimatière 1932 e + Rayons cosmiques 23 ans p 1955 Berkeley (USA) n 1956 Berkeley (USA) 9 ans Antinoyaux 1965 ( + ) Brookhaven (USA) 2 H 1970 ( 2 + ) Serpukhov (URSS) 3 He p p n n 3 H ( p + 2 n ) Cern (Europe) CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T8 On voit que s il ne s était écoulé que 3 ans entre l équation de Dirac et la découverte du positron, il a fallu 23 ans pour arriver à fabriquer les premiers antiprotons. L antineutron, de même masse, mais plus difficile à détecter a été découvert l année suivante. Une dizaine d années plus tard, plusieurs antinoyaux plus compliqués ont été observés dans des chambres à bulles aux USA, en URSS et en Europe. 8

9 Que devient l antimatière? Annihilation à l arrêt : M c 2 = E matière + antimatière énergie γ e + e + 2 γ p + p.... des γ CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T9 Une fois fabriquée, quel est le devenir de l antimatière? Dans le vide, les antiparticules vont se comporter comme des particules. En présence de matière, la relation d Einstein Mc 2 =E nous prédit que matière et antimatière vont «s annihiler» pour redonner de l énergie sous forme de rayonnement. Si l énergie libérée est suffisante, elles produiront d autres paires particule-antiparticule, mais de toute façon, à la fin, il ne restera que des photons. 9

10 De l antimatière dans la radioactivité protons neutrons sodium néon fluor oxygène azote carbone β β + neutron proton + électron e - + antineutrino proton neutron + positron e + + neutrino CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T10 Sur ce diagramme, chaque carré représente un noyau particulier. Le nombre de neutrons est en abscisse et le nombre de protons en ordonnée. Sur une ligne on trouve les isotopes d un même élément chimique : carbone, azote, oxygène, fluor, néon et sodium. Les noyaux en bleu sont stables. Les noyaux en vert ont trop de neutrons : un neutron va pouvoir se transformer en proton en émettant un électron. C est la radioactivité b. Les noyaux en rose n ont pas assez de neutrons : un proton va pouvoir se transformer en neutron en émettant un positron. C est la radioactivité b +. En fait, dans les 2 cas il y a eu production d antimatière. Mais en radioactivité b, il s agit d un antineutrino de masse très petite. Par contre, dans le cas de la radioactivité b +, un positron est émis, qui va pouvoir s annihiler en produisant des photons g détectables. Dans la nature, il existe des émetteurs b +, mais pour exister encore sur terre, il faut que leurs durées de vie soient très longues. Ils émettent donc très peu de positrons, ce qui explique que ce n est pas la radioactivité qui a permis de les découvrir. 10

11 Principe de l imagerie médicale Production d isotopes radioactifs avec un cyclotron 11 C 13 N 15 O 18 F 55 Co 76 Br Qui ont des demi-vies de quelques heures Préparation d un composé chimique adapté Exemple : Fluoro Deoxy Glucose avec 18 F (demi-vie 110 minutes) Injection du composé radioactif par voie intraveineuse CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T11 En bombardant une cible bien choisie de particules issues d un accélérateur, on peut produire des isotopes radioactifs ayant des demi-vies de quelques heures. Les plus utilisés sont le carbone 11, l azote 13, l oxygène 15, le fluor 18, le cobalt 55 et le brome 76. Il faut ensuite insérer ces atomes radioactifs dans une molécule chimique adéquate, susceptible de se fixer sur la tumeur ou l organe auquel on s intéresse. Ce composé est alors injecté par voie intraveineuse. La demi-vie de ces atomes doit être assez longue pour avoir le temps de faire ces différentes manipulations. Mais elle doit également être aussi brève que possible pour fournir le maximum de positrons en un temps court et ne pas contaminer le patient de façon durable. Cet optimum correspond à des demi-vies de quelques heures. 11

12 La tomographie par émission de positrons γ γ γ 18 F e + e γ γ γ Prototype développé au CEA en 1983 (LETI- CEA) e + + e 2γ de 511 kev dos à dos Couronne de détecteurs + coïncidence CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T12 Le patient est installé de manière à ce que la partie du corps à examiner (ici le cerveau), soit au centre d une couronne de détecteurs. Le positron émis par le fluor 18 rencontre immédiatement un électron de la matière voisine et s annihile en produisant une paire de photons gamma qui partent dos à dos. Ces photons sont alors détectés en coïncidence par deux photomultiplicateurs de la couronne, placés à 180 l un de l autre. Après avoir détecté un grand nombre de paires, on obtient une image en 3 dimensions de la zone de fixation du composé radioactif. 12

13 Détection de tumeurs cancéreuses Maladie de Hodgkin chez un homme de 35 ans Photos Iowa P.E.T. Imaging Center Avant traitement Un mois après la fin de la chimiothérapie CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T13 Ces 2 images montrent un exemple d utilisation de la Tomographie par Émission de Positrons (TEP) pour contrôler l efficacité d une chimiothérapie. L avantage de la TEP dans ce cas est sa très grande sensibilité de détection. Le patient, âgé de 35 ans, a été traité pour une maladie de Hodgkin (cancer des ganglions lymphatiques). On voit qu un mois après la fin de la chimiothérapie, les tumeurs ont complètement disparu. Le traceur utilisé était le FluoroDesoxyGlucose (FDG) marqué au fluor

14 Étude de la maladie de Parkinson Le traceur au fluor 18 ne se fixe pas car la maladie de Parkinson a fait disparaître les neurones dopaminergiques 3 mois 6 mois 12 mois après une greffe les neurones dopaminergiques augmentent CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T14 Autre exemple : l observation par TEP, avant (à gauche), puis 3, 6 et 12 mois après une greffe de neurones dopaminergiques, révèle une augmentation progressive de la fixation du traceur et témoigne de la viabilité de la greffe. 14

15 Étude du fonctionnement du cerveau Lecture Écoute La lecture et l écoute ne font pas travailler les mêmes zones du cerveau CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T15 Par TEP avec du FluoroDesoxyGlucose (FDG) marqué au fluor 18, on voit quelles sont les zones du cerveau qui consomment du glucose. On observe que ce ne sont pas les mêmes zones selon que l on lit des mots ou que l on écoute parler. L avantage de la TEP dans ce cas est la rapidité de sa réponse qui permet une étude en temps réel. 15

16 Un outil pour les physiciens Des collisionneurs pour la physique grâce à l antimatière Particule cible énergie disponible 300 GeV 24,5 GeV Particule antiparticule énergie disponible 300 GeV 300 GeV 600 GeV CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T16 L antimatière est aussi un outil pour les physiciens. En effet, si une particule à laquelle on a communiqué une grand énergie cinétique, et dont la vitesse est proche de celle de la lumière, vient frapper une cible immobile, les lois de la relativité nous disent que l énergie disponible ne sera qu une très petite fraction de l énergie cinétique. Par exemple pour une énergie cinétique de 300 Gigaélectronvolts ou GeV, on ne peut en utiliser que 24,5 pour fabriquer de nouvelles paires particule-antiparticule. Par contre, si on fait entrer en collision une particule et son antiparticule accélérées à une énergie de 300 GeV, on disposera de la somme des 2 énergies, soit 600 GeV. 16

17 Découvertes par collisions matière-antimatière SPS 300 GeV/c Antiprotons Protons 3,5 GeV/c AA PSB 1 GeV/c Cible CERN PS 25 GeV/c p p 1983 CERN W + W Z Fermilab quark top 90 GeV 175 GeV Linac Source LEAR 100 MeV/c e e + (1999) CERN Recherche du Higgs 2001 Japon et USA Violation de CP dans B d 0 C. Rubbia S. Van der Meer CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T17 Dans les années 70, on cherchait les bosons porteurs de l interaction faible dont les théoriciens avaient prédit l existence avec une masse d une centaine de GeV. Comme le SPS qui était le plus gros accélérateur du CERN ne produisait que des protons de 300 GeV, il fallait des collisions pour disposer d une énergie suffisante. Bien sûr, le calcul précédent est aussi valable pour une collision proton-proton. Mais l intérêt d utiliser l antiparticule, est que dans un accélérateur en forme d anneau où la rotation est induite par des aimants, la particule et son antiparticule vont tourner en sens inverse avec exactement le même champ magnétique. Sous l impulsion de Carlo Rubbia et de Simon van der Meer, l ensemble des accélérateurs du CERN qui avaient été construits pour accélérer des protons a ainsi pu être transformé en un temps assez court en un collisionneur proton-antiproton au début des années 80. Le parcours des protons est en vert et celui des antiprotons est en rouge. Les antiprotons étaient produits par des protons de 25 GeV frappant une cible de béryllium, puis stockés dans l anneau AA (Accumulateur d Antiprotons) à une énergie de 3,5 GeV. Ils pouvaient ensuite être accélérés pour des collisions à 300 Gev dans le SPS, ou décélérés dans le petit anneau LEAR (Low Energy Antiproton Ring). Il a été ainsi possible de produire et identifier dès 1983 les bosons W +, W, et Z 0, ce qui valut le prix Nobel à Carlo Rubbia et Simon Van der Meer en Ce sont aussi les collisions proton-antiproton qui ont permis la découverte du dernier quark à Fermilab, près de Chicago aux USA, en Enfin des collisions électron-positron sont aussi très utilisées et ont permis de serrer de près le boson de Higgs au CERN, et de mettre en évidence la violation de CP dans la désintégration de B 0 d aux USA et au Japon en

18 Des antiprotons en bouteille masse de p masse de? p -U B À champ magnétique constant, la fréquence de rotation varie comme 1/M p -U M (p) 1999 CERN M ( p) = 1, ± 0, G. Gabrielse CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T18 Les théoriciens affirment que la masse de la particule et de son antiparticule doivent être absolument identiques. Évidemment, les expérimentateurs ont décidé de relever le défi et de tenter de montrer que les théoriciens ont tort! Pour l antiproton, la méthode utilisée met les antiprotons en bouteille en les confinant dans un piège électromagnétique. Les potentiels électriques négatifs en haut et en bas confinent les antiprotons dans le plan vertical, tandis que le champ magnétique les maintient sur une trajectoire horizontale circulaire. La fréquence de rotation de la particule varie alors comme l inverse de sa masse. En piégeant alternativement des protons, et des antiprotons fournis par l anneau LEAR du CERN, Gerald Gabrielse et son équipe ont pu comparer leurs fréquences de rotation et vérifier que leurs masses sont identiques avec une précision de Grâce à l excellent vide régnant dans le piège, il leur a également été possible de stocker quelques antiprotons pendant plusieurs semaines. 18

19 De l énergie avec de l antimatière? O 2 H 2 chimique H 2 O 1 fission 235 U fusion d d He annihilation p p Conversion masse énergie TRÈS TRÈS efficace CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T19 L annihilation particule-antiparticule permet une conversion totale de la masse en énergie, donc extrêmement efficace. Dans les autres cas, on ne convertit que l énergie de liaison, qui est soit chimique dans le cas des centrales thermiques, soit nucléaire dans le cas de la fission ou de la fusion. On voit que pour une même masse de carburant, l annihilation produit environ 1000 fois plus d énergie que la fission de l uranium dans les réacteurs nucléaires. Cependant, le problème est que l on dispose d uranium naturel tandis que l antimatière doit d abord être fabriquée, ce qui consomme de l énergie! 19

20 De l antimatière pour quoi faire? (1) Carburant ultraléger des microgrammes pour les fusées : réaliser des missions impossibles telles que Terre Centre Galaxie des milligrammes pour des armes très puissantes MAIS Production très lente ans pour les fusées ans pour les armes CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T20 Même si la production d antimatière est très coûteuse, cette extraordinaire efficacité de conversion de masse en énergie fait d elle un carburant ultraléger, surpassant de très loin tous ses rivaux. On peut ainsi penser à deux applications : les fusées et les armes. Pour les fusées, comme dans le vaisseau «Enterprise» de Star Trek, le poids du carburant à emporter est décisif pour réaliser des missions très lointaines et il suffirait de microgrammes. Pour les armes, bien que l intérêt d utiliser de l antimatière soit moins évident, les programmes de recherche américains sur sa production et son stockage bénéficient d une aide des budgets militaires. Le problème est que produire des microgrammes pour les fusées ou des milligrammes pour les armes est non seulement très coûteux, mais demande aussi beaucoup de temps. En effet, comme on l a vu, il faut réaliser des collisions avec des particules de grande énergie. Et encore, la probabilité de produire une paire proton-antiproton est-elle faible! Il faut ensuite récupérer les antiprotons qui sont émis dans des directions et avec des énergies variées. Finalement, si le CERN ou Fermilab ne fonctionnaient que pour la production d antiprotons, ils auraient pu produire et stocker dans un anneau tel que AA environ 1 nanogramme (un milliardième de gramme) par an. Avec une dizaine d installations de ce type, il faudrait ans pour disposer de 1 milligramme d antimatière. Et si l on désire mettre les antiprotons dans un piège, c est encore 1000 fois plus difficile. En plus on ne sait stocker dans un anneau ou un piège que des quantités infimes, bien inférieures au microgramme, et le stockage doit être d une fiabilité parfaite. Ces deux applications ne sont donc pas pour demain 20

21 De l antimatière pour quoi faire? (2) De l électricité? Pour fabriquer les antiprotons, 100 millions de fois plus d énergie dépensée que récupérée Production très coûteuse Stockage difficile et dangereux Pas rentable du tout! Soigner avec des antiprotons au lieu des protons? Annihilation des antiprotons Possible mais coûteux action très localisée vérification du point touché Un sujet d étude pour les physiciens CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T21 Il est évident aussi que la production d électricité à partir d antimatière n est absolument pas rentable puisqu il faut d abord consommer beaucoup d énergie pour fabriquer l antimatière. Par contre, une application très intéressante, que l on commence à étudier, est d utiliser des antiprotons pour détruire les tumeurs car l annihilation de l antiproton est très localisée et facile à détecter. Donc peu de dégâts hors de la tumeur, et la possibilité de s assurer en temps réel que c est bien le point visé qui est touché. C est possible, mais très coûteux. Mais n oublions pas que, comme on l a vu, l imagerie médicale par TEP utilise déjà l antimatière. Enfin c est un sujet d étude passionnant pour les physiciens qui sont capables de travailler avec de très petites quantités : la détermination de la masse de l antiproton n avait besoin que d un seul antiproton dans le piège au moment de la mesure. 21

22 Un sujet d étude pour les physiciens En remplaçant un électron par un antiproton : 1990 En fabriquant des antiatomes d hydrogène : e e e e e p p + e p e + CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T22 En effet, il n y a pas que la masse de l antiproton qui intéresse les physiciens. Beaucoup d études sont en cours dans lesquelles un des électrons d un atome est remplacé par un antiproton de même charge, mais beaucoup plus massif, ce qui modifie les propriétés de l atome. Un autre sujet agite beaucoup les physiciens : l étude de l antihydrogène, c est-à-dire d un antiatome dans lequel un positron gravite autour d un antiproton. Il faut d abord fabriquer les 2 ingrédients, et la difficulté est ensuite de persuader le positron de s accrocher à l antiproton. En 1995, les premiers antihydrogènes, une dizaine, ont été fabriqués en vol dans l anneau LEAR du CERN. Malheureusement, ils avaient une vitesse voisine de celle de la lumière et n ont pu franchir que quelques mètres avant d être détectés par leur annihilation. Donc pas le temps de les étudier! Mais, en 2002, grâce à un nouveau programme mis en place par le CERN, deux équipes ont réussi à fabriquer des antihydrogènes à partir d antiprotons et de positrons confinés à extrêmement basse vitesse dans un piège. On va donc pouvoir comparer leurs propriétés à celles de l hydrogène dans les années qui viennent. 22

23 À la découverte de l antimatière 1932 e + Rayons cosmiques 23 ans 1955 p Berkeley (USA) 1956 n Berkeley (USA) 26 ans Antinoyaux 2 H p n 1965 ( + ) Brookhaven (USA) 3 He 3 H Antiatomes p p n ( p + 2 n ) CERN (Europe) 1970 ( 2 + ) Serpukhov (URSS) 1996 antihydrogène ( e + ) rapide CERN (Europe) 2002 antihydrogène ( p e + ) au repos CERN (Europe) CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T23 Il avait fallu 23 ans pour passer du positron à l antiproton, et il a fallu 26 ans pour passer des antinoyaux aux antiatomes 23

24 Une dissymétrie matière-antimatière Le kaon neutre peut osciller entre matière et antimatière : K 0 K 0 En fonction du temps, on peut comparer : matière antimatière : K 0 K 0 antimatière matière : K 0 K 0 CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T24 L étude de la symétrie entre les propriétés des particules et de leurs antiparticules est une question essentielle de la physique d aujourd hui. Les comparaisons des masses et des demi-vies sont toutes en accord avec la symétrie parfaite prédite par les théoriciens. Dans le cas de la particule appelée kaon, l égalité des masses entre le kaon neutre (K 0 ) et son antiparticule est vérifiée à près Mais une légère dissymétrie entre matière et antimatière a pourtant été observée il y a 40 ans, justement pour le kaon K. L an dernier une dissymétrie analogue a pu être observée aussi pour la particule B d neutre. L exemple que l on va montrer ici concerne le kaon neutre qui a l étrange propriété de pouvoir osciller entre matière et antimatière. On peut en effet se poser la question de savoir si les probabilités de transformation de matière en antimatière, et vice versa, sont identiques. 24

25 CPLEAR étiquette les K 0 et les K 0 0 K K 0 K 0 0 K Instant 0 : Instant t : annihilation pp K 0 ou K 0 K 0 ou K 0 se désintègre : p + p K 0 + K + π + K 0 π + e + + ν e p + + K + + π p K 0 K 0 π + + e + ν e CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T25 Pour comparer ces probabilités, il faut produire des kaons et pouvoir leur coller une étiquette «matière» ou «antimatière» sur le dos. Il faut ensuite pouvoir à nouveau mettre des étiquettes un peu plus tard, à un instant t. L expérience CP-LEAR a pu faire ces étiquetages. À l instant 0, les kaons et antikaons sont produits par annihilation proton-antiproton, au repos. Pour conserver l équilibre entre matière et antimatière, le kaon neutre doit être accompagné d un kaon de charge négative, tandis que l antikaon neutre doit être accompagné d un kaon de charge positive. On peut donc faire l étiquetage grâce à la détermination des charges des particules accompagnatrices : le kaon K et le pion π. À l instant t où le kaon se désintègre, il y a un mode de désintégration qui, lui aussi, est sensible à l état (kaon ou antikaon) du kaon neutre. L étiquetage est fait grâce à la détermination des charges des particules émises lors de la décroissance. 25

26 Le hall expérimental de LEAR Photo CERN CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T26 CP-LEAR a utilisé les protons de basse énergie fournis par l anneau LEAR (Low Energy Antiproton Ring) du CERN. Dans le hall expérimental, les faisceaux d antiprotons sont guidés jusqu aux détecteurs des différentes expériences dans les tuyaux que l on voit à gauche et au centre. Le détecteur CP- LEAR (qui est jaune) est placé sur le faisceau le plus à droite et signalé par son logo. 26

27 Le détecteur CPLEAR cible K 0 K 0 e K p π + La collaboration CPLEAR : 100 physiciens de 9 pays États-Unis, France, Grande Bretagne, Grèce, Pays-Bas, + π + Portugal, Slovénie, Suède, Suisse CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T27 Le détecteur de CP-LEAR est en fait formé d une série de détecteurs de forme cylindrique, emboîtés les uns dans les autres comme des poupées russes ou des pelures d oignons, le tout baignant dans un champ magnétique parallèle à l axe du faisceau (horizontal). Sur la vue de côté (à gauche ), on voit les antiprotons qui arrivent de la gauche. Ils s arrêtent dans la cible d hydrogène placée au centre du détecteur, et s annihilent avec les protons de la cible. Sur la vue de face (à droite), les signes des charges des particules sont déterminés par les sens de rotation de leurs trajectoires dans le champ magnétique. On voit que l annihilation au centre de la cible a produit un K et un pion π +, et donc aussi un kaon neutre. On ne voit pas le kaon neutre car les détecteurs, qui sont des chambres à fils, ne voient que les particules chargées. Mais quand il se désintègre, un peu plus loin sur la gauche, on voit un π + et un électron e, ce qui permet de conclure qu il était alors dans l état antikaon. Cette expérience a été menée par 100 physiciens appartenant à 16 Instituts de 9 pays différents dont la France. 27

28 Le résultat de CPLEAR A T Asymétrie A T = 0,0066 ± 0,0013 stat ± 0,0010 syst La matière l emporte sur l antimatière t CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T28 En comparant le nombre de kaons qui deviennent des antikaons et le nombre d antikaons transformés en kaons en fonction du temps, on peut tracer la fonction d asymétrie A T qui vaut 0 s il n y a pas d asymétrie. Le résultat de CPLEAR montre que A T est différent de 0, et que la dissymétrie est en faveur de la matière. L unité de temps en abscisse est la durée de vie du K S (environ un dix-milliardième de seconde) 28

29 Et notre Univers? Au moment du big-bang : énergie matière + antimatière Ensuite : matière + antimatière énergie γ Autour de nous, Dans notre galaxie, Dans les autres galaxies, Dans notre Univers, γ On ne voit pas de signalant une frontière avec de l antimatière CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T29 Quand on crée de la masse à partir d énergie, comme ce fut le cas au moment du big bang, matière et antimatière sont créées en quantités strictement égales. Mais ensuite, si de la matière et de l antimatière entrent en contact, il y a des annihilations qui finalement produisent des photons gamma. Or nous n observons rien de tel ni dans notre corps, ni dans le système solaire, ni dans notre galaxie, ni dans notre univers aussi loin que portent nos observations. 29

30 Qu est devenue l antimatière? Il peut y avoir disparition de l antimatière si quarks et antiquarks se désintègrent ex. p 2 e + + e p 2 e + e + théories de grande unification dissymétrie matière antimatière observée pour le kaon neutre (CPLEAR) et le B (expérience Babar) déséquilibre thermodynamique possible au tout début du big-bang A. Sakharov Production d un léger déséquilibre : antiprotons ou antineutrons protons ou neutrons CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA -T30 Alors qu est devenue l antimatière? En 1967, le physicien russe Andrei Sakharov a proposé une réponse en disant que l antimatière pouvait disparaître si 3 conditions étaient remplies simultanément. La première condition est que les quarks et les antiquarks se désintègrent en des non-quarks. D après les théories de grande unification, un tel processus est possible, mais non encore confirmé expérimentalement. La deuxième condition est l existence d une dissymétrie matièreantimatière. On vient de montrer qu une telle dissymétrie a été observée expérimentalement. Elle ne suffit pas, mais on a au moins la preuve que matière et antimatière ne sont pas complètement symétriques. La troisième condition est un déséquilibre thermodynamique qui a pu exister au tout début du big-bang. Le résultat est alors la production d un léger déséquilibre : à un milliard d antiprotons ou antineutrons, correspondrait un milliard + une particules. Au moment de la phase d annihilation, un peu après le bigbang, une particule sur un milliard survivrait. Les autres seraient transformées en rayonnement. Ce rapport est celui observé entre le rayonnement froid et la matière baryonique. 30