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

L'antimatière dans l'Univers

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 théoriedécrivant 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.

positronantiprotonantineutronantimuonantineutrinoantiquarks

photon

électronprotonneutron

muonneutrinoquarks

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

Interaction

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).

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...

proton neutron

positron neutrino

1. Désintégration beta (radioactivité)

Les protons peuvent se transformer en neutrons en émettant des positrons.

Ceci est interdit pour un proton isolé mais permis dans les noyaux.

Les éléments riches en proton peuvent se désintégrer par cette réaction.

Na Ne2222

1. Spallations

Interaction

Dans des collisions énergétiques, de la matière peut être créée.

Parmi les produits, on trouve de l'antimatière.

1. L'Antimatière sur Terre

Où trouve-t-on l'antimatière ?

Autour de nous, la radioactivité naturelleproduit quelques positrons, qui s'annihilenten une fraction de seconde...

L'espace contient des particules de hauteénergie : des rayons cosmiques.

Ils peuvent créer des antiparticules enarrivant sur l'atmosphère terrestre.

1. L'antimatière produite dans l'atmosphère

L'espace contient des particule de haute énergie : Rayons cosmiques.

Les collisions avec les atomes de l'atmosphère peut produirede l'antimatière.

autresparticules

rayon cosmique rayon cosmique

1. L'antimatière produite dans l'atmosphère

rayon cosmiqueproton

positronantiprotron

Na22

création d'un isotoperadioactif ( Na, C)

puis dés. beta (pour Na)

22 14

22



1. Créer de l'antimatière

Les collaborations ATHENA et ATRAP (CERN, Europe) manipulent des anti-atomes d'hydrogène pour étudierla physique de l'antimatière.

1. Créer de l'antimatière

Annihilation d'unanti-atome d'hydrogènevue au CERN.

1. L'antimatière au voisinage de la Terre

Les éruptions solaires peuventcréer des paires électron-positron.

Celle de juillet 2002 a créé un demi-kilo d'antimatière, assez pour couvrir la consommationd'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 desproblèmes de scénario dans leshistoires 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 peuventdonner 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

Certains peuvent se désintégrer en émettant des positrons.

On peut détecter la radiation d'annihilation.

La Galaxie contient deséléments radioactifs, parexemple Al.

Ils sont créés lors desexplosions de supernovae.

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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 physiquedes particules montent péniblement à 1000 GeV...)

Ils sont accélérés dans les ondesde 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 rayonscosmiques intéragissentavec le gaz interstellaire.

Des antiprotons sont créés.

réaction

Ces antiprotons peuvent parcourir de longues distances avant de rencontrerun 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 dansla haute atmosphère.

Or, on peut calculer la quantité attendue, si les processus de créationet 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 milliardsde 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 estun endroit assez secoué !!

2. L'excès de positrons de haute énergie

PAMELA sur Resurs-DK1

mission HEAT-PBAR

Une anomalie dans les positrons de 7 GeVa été détectée dans la haute atmosphèrepar HEAT.

3. Cosmologie

- Pourquoi y a-t-il tellement moins d'antimatière que de matièredans 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

La cosmologie décrit l'évolution de l'Universpar la Relativité Générale et la physique desPhysique des Particles.

Le modèle qui décrit le mieux cette évolutionest le modèle du Big-Bang chaud :

- l'Univers s'expand - Il était plus dense et plus chaud avant - Des choses intéressantes se sont passées...

présent

passé


Quand la température dépassait 10 000 degrés, les atomes nepouvaient pas exister, les électrons étaient séparés des noyaux.


Plus tôt, les noyaux eux-même étaient dissociés en protons et neutrons.

Plus tôt encore, l'Univers était assez chaud pour que des pairesnucleon-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 expliquépar les lois de la physique ?

3. Les conditions de Sakharov

Comment cet excès peut-il êtreengendré dans l'Univers primordial ?

Avant état "initial" Maintenant

Andrei Dmitrievich Sakharov (1921-1989)


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 !


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 tropfaibles 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'autrescomposées d'antimatière.


Il y aurait des anti-galaxies, faites d'anti-étoiles... A quoi ressembleraient-elles ?

étoi

le

anti-

étoi

le

Étoiles et anti-étoiles émettraient exactement la même lumière.(rappel : les photons sont aussi les antiphotons !).

3. Des corps célestes faits d'antimatière ?

La Lune aussi Mars aussi

La Terre est faite de matière, pas d'antimatière.

Le système solaire aussi,Notre Galaxie aussi...Et le reste de l'Univers ?


Une anti-étoile produirait des anti-noyaux, qu'on pourrait détecter dans les rayons cosmiques

La question serait réglée si ondétectait un noyau d'anti-héliumou 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 pourraitindiquer 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-trousnoirs 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

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