L'univers est plein de secrets incroyables. Des trous noirs effrayants, le paradoxe de la "matière noire", des étoiles doubles imprévisibles. L’un des casse-tête les plus célèbres et les plus intrigants est l’antimatière, qui consiste en une matière «à l’intérieur». La découverte de ce phénomène est l'une des réalisations les plus importantes de la physique du siècle dernier.
Jusqu'à présent, les scientifiques étaient convaincus que les particules élémentaires sont les éléments constitutifs fondamentaux et immuables de l'univers, qui ne naissent pas et ne disparaissent jamais. Cette image ennuyeuse et simple est une chose du passé quand il s'est avéré que l'électron chargé négativement et son homologue du positron anti-monde sont mutuellement détruits, donnant lieu à des quanta d'énergie. Et plus tard, il est devenu évident que les particules élémentaires en général aiment se transformer les unes les autres, et de la manière la plus bizarre. La découverte de l'antimatière a été le début d'une transformation radicale des idées sur les propriétés de l'univers.
L’antimatière a longtemps été un sujet de prédilection de la science-fiction. Le vaisseau Enterprise du culte Star Trek utilise un moteur à antimatière pour conquérir la galaxie. Dans le livre Angels and Demons, de Dan Brown, le personnage principal sauve Rome d'une bombe créée à partir de cette substance. En subjuguant les quantités inépuisables d'énergie obtenues par l'interaction de la matière avec l'antimatière, l'humanité obtiendra un pouvoir supérieur aux prédictions des auteurs de science-fiction les plus audacieux. Quelques kilogrammes d'antimatière suffisent pour traverser la galaxie.
Mais avant la création d'armes et de vaisseaux spatiaux est encore très loin. À l’heure actuelle, la science s’engage dans la justification théorique de l’existence de l’antimatière et dans l’étude de ses propriétés, et les scientifiques utilisent des dizaines, dans les cas extrêmes, des centaines d’atomes dans leurs expériences. La durée de leur vie est calculée en fractions de secondes et le coût des expériences est de plusieurs dizaines de millions de dollars. Les physiciens pensent que la connaissance de l'antimatière nous aidera à mieux comprendre l'évolution de l'univers et les événements qui s'y sont déroulés immédiatement après le Big Bang.
Qu'est-ce que l'antimatière et quelles sont ses propriétés?
L'antimatière est un type particulier de matière constituée d'antiparticules. Ils ont les mêmes spin et masse que les protons et électrons ordinaires, mais en diffèrent par le signe de la charge électrique et de la couleur, du nombre quantique de baryon et de lepton. En termes simples, si les atomes de la matière ordinaire sont constitués de noyaux chargés positivement et d'électrons négatifs, l'antimatière est l'inverse.
Dans l'interaction de la matière et de l'antimatière, l'annihilation se produit avec la libération de photons ou d'autres particules. L'énergie reçue au même moment est énorme: un gramme d'antimatière suffit pour une explosion de plusieurs kilotonnes.
Selon les concepts modernes, matière et antimatière ont la même structure, car la force et les interactions électromagnétiques qui la déterminent agissent de manière absolument identique à la fois sur les particules et sur leurs "jumeaux".
On pense que l'antimatière peut également créer une force gravitationnelle, mais ce fait n'a pas encore été définitivement démontré. Théoriquement, la gravité devrait agir de la même manière sur la matière et l'antimatière, mais cela reste à déterminer expérimentalement. Ils travaillent maintenant sur cette question dans les projets ALPHA, AEGIS et GBAR.
À la fin de 2015, en utilisant le collisionneur RHIC, les scientifiques ont pu mesurer la force d'interaction entre les antiprotons. Il s'est avéré qu'il est égal à la caractéristique similaire des protons.
Actuellement, les "jumeaux" de presque toutes les particules élémentaires existantes sont connus, à l'exception de ceux dits "véritablement neutres", qui, au cours de la conjugaison de charges, se transforment en eux-mêmes. Ces particules comprennent:
- photon;
- Le boson de Higgs;
- pi meson neutre;
- ce méson;
- gravitron (pas encore découvert).
L’antimatière est beaucoup plus proche que vous ne le pensez. La source d'antimatière, cependant, pas trop puissante, sont les bananes ordinaires. Ils contiennent l'isotope potassium 40, qui se désintègre pour former un positron. Cela se produit environ une fois toutes les 75 minutes. Cet élément fait également partie du corps humain, de sorte que chacun de nous peut être appelé à générer des antiparticules.
Du fond
Pour la première fois, le scientifique britannique Arthur Schuster a admis l'idée de l'existence de la matière "avec un signe différent" à la fin du XIXe siècle. Sa publication sur ce sujet était plutôt vague et ne contenait aucune preuve. Très probablement, l’hypothèse du scientifique était inspirée par la découverte récente d’un électron. Il fut le premier à introduire les termes "antimatière" et "antiatom" dans un usage scientifique.
Expérimentalement, l'anti-électron a été obtenu avant sa découverte officielle. Cela a été fait par le physicien soviétique Dmitry Skobeltsinu dans les années 20 du siècle dernier. Il a eu un effet étrange lors de l'examen des rayons gamma dans la chambre de Wilson, mais il ne pouvait pas l'expliquer. Nous savons maintenant que le phénomène a été causé par l’apparition d’une particule et d’une antiparticule - un électron et un positron.
En 1930, le célèbre physicien britannique Paul Dirac, travaillant sur l'équation relativiste du mouvement d'un électron, prédisait l'existence d'une nouvelle particule de même masse, mais de charge opposée. À cette époque, les scientifiques ne connaissaient qu'une seule particule positive - un proton, mais il était mille fois plus lourd qu'un électron, ils ne pouvaient donc pas interpréter les données obtenues par Dirac. Deux ans plus tard, l'Américain Anderson découvrit le "jumeau" d'un électron dans l'étude du rayonnement de l'espace. Il a appelé positron.
Au milieu du siècle dernier, les physiciens ont eu le temps d'étudier cette antiparticule et plusieurs méthodes de préparation ont été développées. Dans les années 1950, des scientifiques ont découvert un antiproton et un anti-neutron. En 1965, un anti-deutéron a été obtenu. En 1974, des chercheurs soviétiques ont réussi à synthétiser un anti-noyau d'hélium et de tritium.
Dans les années 60 et 70, les antiparticules de la haute atmosphère ont été recherchées à l'aide de ballons dotés d'un équipement scientifique. Ce groupe était dirigé par le lauréat du prix Nobel, Luis Alvarets. Au total, environ 40 000 particules ont été «capturées», mais aucune d’entre elles n’a rien à voir avec l’antimatière. En 2002, des physiciens américains et japonais ont entrepris des recherches similaires. Ils ont lancé un énorme ballon BESS (volume 1,1 million de m3) d'une hauteur de 23 km. Mais même dans les 22 heures de l'expérience, ils n'ont pas réussi à détecter les antiparticules les plus simples. Des expériences similaires ont ensuite été menées en Antarctique.
Au milieu des années 90, des scientifiques européens ont réussi à obtenir un atome d'antihydrogène composé de deux particules: un positron et un antiproton. Ces dernières années, il a été possible de synthétiser une quantité beaucoup plus grande de cet élément, ce qui a permis d'avancer dans l'étude de ses propriétés.
En 2005, un détecteur d’antimatière sensible a été installé sur la Station spatiale internationale (ISS).
Antimatière dans l'espace
Le découvreur du positron Paul Dirac a estimé qu'il existe dans l'univers des zones entières constituées uniquement d'antimatière. Il en a parlé dans sa conférence Nobel. Mais jusqu'à présent, les scientifiques n'ont rien trouvé de tel.
Bien entendu, des antiparticules sont présentes dans l'espace. Ils sont nés de nombreux processus à haute énergie: les explosions de supernova ou la combustion de combustible thermonucléaire, qui se produisent dans les nuages de plasma autour des trous noirs ou des étoiles à neutrons, naissent des collisions de particules de haute énergie dans l'espace interstellaire. De plus, une petite quantité d’antiparticules est constamment “répandue” par la pluie sur notre planète. La désintégration de certains radionucléides s'accompagne également de la formation de positrons. Mais tout ce qui précède n'est que des antiparticules, mais pas de l'antimatière. Jusqu'à présent, les chercheurs n'ont pas encore trouvé d'anti-hélium dans l'espace, que dire d'éléments plus lourds. L'échec de la recherche d'un rayonnement gamma spécifique, qui accompagne le processus d'annihilation lors de la collision de la matière et de l'antimatière.
À en juger par les données disponibles à ce jour, il n’existe aucun antigalaxie, anti-étoile ou autre objet de grande antimatière. Et ceci est très étrange: selon la théorie du Big Bang, au moment de la naissance de notre univers, la même quantité de matière et d'antimatière est apparue, et l'emplacement de la dernière est flou. Actuellement, il existe deux explications à ce phénomène: soit l'antimatière a disparu immédiatement après l'explosion, soit elle existe dans certaines parties éloignées de l'univers et nous ne l'avons tout simplement pas encore découverte. Cette asymétrie est l’un des problèmes non résolus les plus importants de la physique moderne.
Il existe une hypothèse selon laquelle, dans les premiers stades de la vie de notre Univers, la quantité de matière et d'antimatière a presque coïncidé: pour chaque milliard d'antiprotons et de positrons, il y avait exactement autant de leurs homologues, plus un proton et un électron «supplémentaire». Au fil du temps, l'essentiel de la matière et de l'antimatière ont disparu dans le processus de l'annihilation et tout ce qui nous entoure aujourd'hui a émergé du surplus. Certes, il n’est pas tout à fait clair où et pourquoi les particules "extra" sont apparues.
Obtenir l'antimatière et les difficultés de ce processus
En 1995, les scientifiques ont réussi à créer seulement neuf atomes d'antihydrogène. Ils ont existé pendant plusieurs dizaines de nanosecondes, puis ont été annihilés. En 2002, le nombre de particules était déjà de l'ordre de plusieurs centaines et leur durée de vie a été multipliée par plusieurs.
En règle générale, l'antiparticule naît avec son «double» habituel. Par exemple, pour obtenir une paire positron-électron, l'interaction d'un quantum gamma avec le champ électrique du noyau de l'atome est nécessaire.
Obtenir de l'antimatière - très gênant. Ce processus se produit dans les accélérateurs et les antiparticules sont stockées dans des anneaux de stockage spéciaux sous vide poussé. En 2010, les physiciens ont réussi pour la première fois à emprisonner 38 atomes d'antihydrogène dans un piège spécial et à les conserver pendant 172 millisecondes. Pour ce faire, les scientifiques ont dû refroidir 30 000 antiprotons à des températures inférieures à -70 ° C et deux millions de positrons à -230 ° C.
L'année suivante, les chercheurs ont pu améliorer considérablement les résultats: augmenter la durée de vie des antiparticules à un millier de secondes. Dans l'avenir, nous prévoyons de découvrir l'absence ou la présence d'effet antigravitationnel pour l'antimatière.
La question du stockage de l'antimatière est un véritable casse-tête pour les physiciens, car les antiprotons et les positrons s'annulent instantanément lorsqu'ils rencontrent des particules de matière ordinaire. Pour les conserver, les scientifiques ont dû inventer des dispositifs intelligents qui pourraient empêcher une catastrophe. Les antiparticules chargées sont stockées dans le piège de Penning, qui ressemble à un accélérateur miniature. Ses puissants champs magnétiques et électriques empêchent les positrons et les antiprotons d'entrer en collision avec les parois de l'appareil. Cependant, un tel dispositif ne fonctionne pas avec des objets neutres, comme un atome d'antihydrogène. Pour ce cas, le piège de Joffe a été développé. La rétention d'anti-atomes dans elle se produit en raison du champ magnétique.
Le coût de l'antimatière et son efficacité énergétique
Étant donné la difficulté d’obtenir et de stocker l’antimatière, il n’est pas surprenant que son prix soit très élevé. Selon les calculs de la NASA, en 2006, un milligramme de positrons a coûté environ 25 millions de dollars. Selon des données antérieures, un gramme d'anti-hydrogène était estimé à 62 000 milliards de dollars. Les physiciens européens du CERN ont donné approximativement les mêmes chiffres.
L’antimatière est potentiellement un carburant idéal, ultra efficace et écologique. Le problème est que toute l’antimatière créée jusqu’à présent par les gens suffit à peine à faire bouillir au moins une tasse de café.
La synthèse d'un gramme d'antimatière nécessite 25 millions de kilowattheures d'énergie, ce qui rend toute utilisation pratique de cette substance tout simplement absurde. Peut-être qu'un jour nous ravitaillerons nos vaisseaux, mais pour cela, vous devez proposer des méthodes de réception et de stockage à long terme plus simples et moins coûteuses.
Applications existantes et prometteuses
Actuellement, l'antimatière est utilisée en médecine lors de la tomographie par émission de positrons. Cette méthode vous permet d'obtenir une image des organes internes en haute résolution. Les isotopes radioactifs tels que le potassium 40 sont combinés à des substances organiques telles que le glucose et injectés dans le système circulatoire du patient. Là, ils émettent des positrons, qui sont annihilés lorsqu'ils rencontrent des électrons dans notre corps. Le rayonnement gamma, obtenu au cours de ce processus, forme une image de l'organe ou du tissu étudié.
L'antimatière est également à l'étude comme remède possible contre le cancer.
L’utilisation de l’antimatière est bien sûr très prometteuse. Cela peut conduire à une véritable révolution énergétique et permettre aux gens d'atteindre les étoiles. Le skate préféré des romans de fiction sont les vaisseaux spatiaux équipés de moteurs de chaîne, qui leur permettent de voyager à une vitesse ultra-légère. Il existe aujourd'hui plusieurs modèles mathématiques de telles installations, et la plupart d'entre elles utilisent l'antimatière dans leur travail.
Il existe des propositions plus réalistes sans vols super légers et sans hyperespace. Par exemple, il est proposé de jeter une capsule d'uranium-238 contenant du deutérium et de l'hélium-3 à l'intérieur du nuage d'antiproton. Les développeurs du projet pensent que l'interaction de ces composants va déclencher une réaction thermonucléaire dont les produits, dirigés par un champ magnétique dans la tuyère du moteur, fourniront au navire une traction importante.
Les ingénieurs américains suggèrent d’utiliser une fission nucléaire déclenchée par des antiprotons pour les vols à destination de Mars. Selon leurs calculs, seuls 140 nanogrammes de ces particules sont nécessaires pour un tel voyage.
Compte tenu de la quantité importante d'énergie libérée lors de l'annihilation anti-matière, cette substance est un excellent candidat pour le remplissage de bombes et autres objets explosifs. Même une petite quantité d'antimatière est suffisante pour créer une munition d'une puissance comparable à celle d'une bombe nucléaire. Mais s'il est prématuré de s'en inquiéter, cette technologie en est au tout début de son développement. Il est peu probable que de tels projets se concrétisent dans les décennies à venir.
En attendant, l’antimatière est d’abord l’objet de l’étude des sciences théoriques, qui en dit long sur la structure de notre monde. Il est peu probable que cette situation change tant que nous n’aurons pas appris à l’atteindre à l’échelle industrielle et à économiser de manière fiable. Ce n’est qu’alors que nous pourrons parler de l’utilisation pratique de cette substance.
