L`antimatière dans l`Univers - LAPP

L'antimatière dans l'Univers
Richard Taillet
Université de Savoie
LAPTH (Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de Physique Théorique)
LPNHE (Laboratoire de Physique Nucléaire et des Hautes Energies, Paris VII)
L'antimatière dans l'Univers
1. L'antimatière, c'est quoi ?
2. L'antimatière dans notre galaxie
3. L'antimatière et la cosmologie
4. Spéculations
1. Les constituants élémentaires de la matière
La matière qui nous entoure est faite de :
- protons (eux-mêmes faits de quarks)
- neutrons (faits de quarks aussi) (découverts en 1933)
- électrons
Il existe d'autres particules : neutrinos (1931), photons, muons ...
Elles peuvent interagir :
- se repousser
- s'attirer
Ceci est décrit par la Théorie Quantique des Champs.
1. L'antimatière
Pour résoudre des incohérences de la théorie
décrivant l'électron, Dirac introduit en 1931 une
nouvelle particule associée à l'électron,
de charge opposée.
Une telle particule est découverte
par Anderson en 1932,
C'est le positron, l'anti-electron.
1. Antiparticules
Pour chaque espèce de particule il y a une antiparticule,
avec une charge électrique opposée.
électron
proton
neutron
muon
neutrino
quarks
photon
positron
antiproton
antineutron
antimuon
antineutrino
antiquarks
photon
Ces antiparticules peuvent interagir entre elles, se lier pour former
de l'antimatière.
Par exemple, au CERN des positrons ont été combinés avec
des antiprotons pour former des anti-atomes d'hydrogène.
1. Annihilations
Les particules/antiparticules interagissent et peuvent :
- se repousser
- s'attirer
- se transformer en d'autres particules
Quand une antiparticule rencontre sa particule, elles peuvent s'annihiler :
Elles disparaissent et l'énergie est convertie en autre chose (ex: photons).
Interaction
Les photons émis par paires ont des énergies bien définies.Par exemple,
l'annihilation electron-positron donne des photons de 511 keV.
Une antiparticule ne survit pas longtemps dans notre environnement...
1. Désintégration beta (radioactivité)
Les protons peuvent se transformer en neutrons en émettant des positrons.
proton
neutron
positron
neutrino
Ceci est interdit pour un proton isolé mais permis dans les noyaux.
Na
22
Ne
22
Les éléments riches en proton peuvent se désintégrer par cette réaction.
1. Spallations
Dans des collisions énergétiques, de la matière peut être créée.
Interaction
Parmi les produits, on trouve de l'antimatière.
1. L'Antimatière sur Terre
Où trouve-t-on l'antimatière ?
Autour de nous, la radioactivité naturelle
produit quelques positrons, qui s'annihilent
en une fraction de seconde...
L'espace contient des particules de haute
énergie : des rayons cosmiques.
Ils peuvent créer des antiparticules en
arrivant sur l'atmosphère terrestre.
1. L'antimatière produite dans l'atmosphère
rayon cosmique
rayon cosmique
autres
particules
L'espace contient des particule de haute énergie : Rayons cosmiques.
Les collisions avec les atomes de l'atmosphère peut produire
de l'antimatière.
1. L'antimatière produite dans l'atmosphère
rayon cosmique
proton
positron
rayon cosmique
proton
antiprotron
rayon cosmique
proton
22
Na
création d'un isotope
radioactif ( 22Na,14 C)
puis dés. beta (pour 22Na)
1. Créer de l'antimatière
Les collaborations ATHENA et ATRAP (CERN, Europe)
manipulent des anti-atomes d'hydrogène pour étudier
la physique de l'antimatière.
1. Créer de l'antimatière
Annihilation d'un
anti-atome d'hydrogène
vue au CERN.
1. L'antimatière au voisinage de la Terre
Les éruptions solaires peuvent
créer des paires
électron-positron.
Celle de juillet 2002 a créé un
demi-kilo d'antimatière, assez
pour couvrir la consommation
d'énergie d'un grand pays
pendant plusieurs jours.
1. Les utilisations pratiques de l'antimatière
Les positrons sont utilisés en imagerie médicale, dans la
Tomographie par Émission de Positrons (PET scans).
Il pourrait y avoir des applications dans le traitement du cancer.
Des applications militaires de l'antimatière sont envisagées.
On peut stocker de l'énergie.
1. Utilisations pratiques de l'antimatière
Ca peut aider à résoudre des
problèmes de scénario dans les
histoires de S-F...
1. Les utilisations de l'antimatière
Ca peut servir à faire de la science :
Sonder les lois de la physique
Sonder le contenu et l'histoire de l'Univers
2. Pourquoi chercher de l'antimatière dans notre Galaxie ?
A-t-on la moindre chance d'en voir ?
Quels processus peuvent la créer ?
2. L'antimatière dans notre galaxie
Ce sont les processus dont nous venons de discuter !
Les supernovae produisent des éléments radioactifs qui peuvent
donner des positrons.
Les rayons cosmiques contiennent des positrons et des antiprotons.
D'autres phénomènes de haute énergie peuvent en produire.
2. Les positrons dans notre galaxie
La Galaxie contient des
éléments radioactifs, par
26
exemple Al.
Ils sont créés lors des
explosions de supernovae.
Certains peuvent se
désintégrer en émettant
des positrons.
On peut détecter la
radiation d'annihilation.
2. Les positrons dans la Galaxie
Resultats d'OSSE
(9 ans de données)
Résultat d'INTEGRAL
(6 mois de données)
2. Les rayons cosmiques
Notre galaxie contient des particules chargées ayant des énergies
allant jusqu'à 10 milliards de GeV (les accélérateurs de physique
des particules montent péniblement à 1000 GeV...)
Ils sont accélérés dans les ondes
de choc dans l'espace (par ex.
produites par les supernovae).
Essentiellement des protons
+ de l'hélium,
+ éléments plus lourds
+ antiprotons
+ positrons.
2. Les antiprotons des rayons cosmiques
Les protons des rayons
cosmiques intéragissent
avec le gaz interstellaire.
Des antiprotons sont créés.
réaction
Ces antiprotons peuvent parcourir de longues distances avant de rencontrer
un proton sur lequel s'annihiler. Certains arrivent au niveau de la Terre.
2. Détection des antiprotons cosmiques
Plusieurs expériences ont mesuré
la quantité d'antiprotons dans
la haute atmosphère.
AMS
BESS
2. Les antiprotons cosmiques
Plusieurs expériences ont mesuré la quantité d'antiprotons dans
la haute atmosphère.
Or, on peut calculer la quantité attendue, si les processus de création
et de propagation sont connus.
La quantité observée est compatible avec les prédictions théoriques.
2. INTEGRAL et l'excès de positrons
Le satellite INTEGRAL
est équipé de détecteurs
qui peuvent mesurer la
radiation d'annihilation.
Un signal important est observé en direction du centre galactique.
Chaque seconde, environ 10 milliards
de tonnes de positrons s'y annihilent !
2. INTEGRAL et l'excès de positrons
Plusieurs explications possibles :
Production d'éléments radioactifs par les novae ou supernovae ?
Presence d'hypernovae ?
Matière noire ?
Le centre Galactique est
un endroit assez secoué !!
2. L'excès de positrons de haute énergie
mission HEAT-PBAR
PAMELA sur Resurs-DK1
Une anomalie dans les positrons de 7 GeV
a été détectée dans la haute atmosphère
par HEAT.
3. Cosmologie
- Pourquoi y a-t-il tellement moins d'antimatière que de matière
dans l'Univers ?
- Parce que l'antimatière s'annihile avec la matière...
- Certes, mais pourquoi y a-t-il tant de matière au départ ?
3. Cosmologie : l'origine de la matière
é
ss
pa
La cosmologie décrit l'évolution de l'Univers
par la Relativité Générale et la physique des
Physique des Particles.
Le modèle qui décrit le mieux cette évolution
est le modèle du Big-Bang chaud :
- l'Univers s'expand
- Il était plus dense et plus chaud avant
- Des choses intéressantes se sont passées...
és
pr
t
en
3. Cosmologie : l'origine de la matière
Quand la température dépassait 10 000 degrés, les atomes ne
pouvaient pas exister, les électrons étaient séparés des noyaux.
3. Cosmologie : l'origine de la matière
Plus tôt, les noyaux eux-même étaient dissociés en
protons et neutrons.
Plus tôt encore, l'Univers était assez chaud pour que des paires
nucleon-antinucleon puissent se former spontanément.
Les lois de la physique semblent obéir à certaines symétries, dont
certaines interdisent la formation de plus de matière que d'antimatière.
3. L'excès de matière sur l'antimatière
L'Univers primordial contenait un petit excès de matière :
1 particule de matière excédentaire par milliard de paires
particle/antiparticule.
Ceci peut-il être expliqué
par les lois de la physique ?
3. Les conditions de Sakharov
Comment cet excès peut-il être
engendré dans l'Univers primordial ?
Andrei Dmitrievich Sakharov (1921-1989)
Avant
état "initial"
Maintenant
3. Les conditions de Sakharov
Condition 1 : Violation du nombre baryonique B
Certaines réactions doivent créer un excès de matière
3. The Sakharov conditions
Condition 2 : Violation de C et CP.
Les réactions "miroir" doivent avoir des propriétés différentes.
Pas d'asymétrie !
3. Les conditions de Sakharov
Condition 3 : l'équilibre doit être rompu
Pas d'asymétrie
3. Les conditions de Sakharov dans le modèle standard
Les conditions de Sakharov sont remplies dans le modèle standard :
- Violation du nombre baryonique : OK mais effet faible.
- Violation de C et CP : observée dans les désintégrations de mésons.
- Rupture de l'équilibre : expansion et transition de phase.
Mais des études précises montrent que les effets sont trop
faibles dans le modèle standard...
Théories de Grande Unification ?
A suivre...
3. Un univers homogène ?
Autre possibilité : Nous sommes dans une fluctuation aléatoire.
Avant
État "initial"
Maintenant
L'Univers serait fait de régions composées de matière et d'autres
composées d'antimatière.
3. Un univers homogène ?
anti-étoile
étoile
Il y aurait des anti-galaxies, faites d'anti-étoiles...
A quoi ressembleraient-elles ?
Étoiles et anti-étoiles émettraient exactement la même lumière.
(rappel : les photons sont aussi les antiphotons !).
3. Des corps célestes faits d'antimatière ?
La Terre est faite de matière, pas d'antimatière.
La Lune aussi
Le système solaire aussi,
Notre Galaxie aussi...
Et le reste de l'Univers ?
Mars aussi
3. Un univers homogène ?
Une anti-étoile produirait des anti-noyaux,
qu'on pourrait détecter dans les rayons cosmiques
La question serait réglée si on
détectait un noyau d'anti-hélium
ou anti-carbone dans l'espace !
Un des premiers buts d'AMS
(Alpha Magnetic Spectrometer)
4. Spéculations
Il y a d'autres sources d'antimatière, reliées à des aspects plus
spéculatifs de la physique. Par exemple :
- Annihilation ou désintégration de nouvelles particules, reliées au
problème de la matière noire.
- Évaporation de trous noirs primordiaux.
4. Matière noire
Il semble que l'Univers contient une grande quantité de masse
sous une forme transparente.
4. Spéculations
Les physiciens des particules inventent
de nouvelles particules :
- supersymétrie
- neutrinos massifs
- dimensions supplémentaires
- Théories de Grande Unification
4. Spéculations : matière noire
Ces nouvelles particules peuvent donner de l'antimatière.
L'observation d'un excès inexpliqué d'antimatière pourrait
indiquer que des particules "exotiques" sont présentes !
Peut-être l'excès de positrons au centre galactique est-il
un tel indice ?
4. Trous noirs primordiaux
Certains scénarios cosmologiques indiquent que des mini-trous
noirs pourraient se former dans l'univers primordial.
Ils pourraient s'évaporer en émettant des particules et des antiparticules.
Ceci pourrait aussi être mis en évidence en observant un
excès d'antimatière.
5. Conclusion
L'Univers contient de l'antimatière
Celle-ci donne des informations importantes sur les phénomènes
physiques qui s'y déroulent.
Elle donne aussi des informations sur l'histoire cosmologique.
Elle pourrait nous renseigner sur de la nouvelle physique !
5. Pour aller plus loin
Ces transparents et le dossier correspondant
http://wwwlapp.in2p3.fr/~taillet/
La plupart des images : Astronomy Picture of the Day
http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/
(+ emprunts à M. Larcenet)
Questions ou discussion :
taillet [arobase] lapp.in2p3.fr
Forum de physique : forums.futura-sciences.com