Récemment, des membres de la collaboration ALICE au CERN ont mesuré les masses des noyaux d'antimatière avec une précision record et ont même estimé l'énergie qui lie les antiprotons aux antineutrons qu'ils contiennent. Jusqu'à présent, aucune différence significative entre ces paramètres dans la matière et dans l'antimatière n'a été trouvée, mais ce n'est pas l'essentiel. Il est important qu’au cours des dernières années, non seulement les antiparticules, mais aussi les antinoyaux et même les antiatomes soient devenus disponibles pour les mesures et les observations. Cela signifie qu’il est temps de comprendre ce qu’est l’antimatière et quelle place ses recherches occupent dans la physique moderne.
Essayons de deviner certaines de vos premières questions sur l'antimatière.
Est-il vrai qu’une bombe super puissante peut être fabriquée à partir d’antimatière ? Est-il possible que de l'antimatière s'accumule réellement au CERN, comme le montre le film Anges et Démons, et qu'elle soit très dangereuse ? Est-il vrai que l’antimatière sera un carburant extrêmement efficace pour les voyages spatiaux ? Y a-t-il du vrai dans l'idée d'un cerveau positronique dont Isaac Asimov a doté les robots dans ses œuvres ?...
Ce n'est un secret pour personne que pour la plupart des gens, l'antimatière est associée à quelque chose d'extrêmement (explosivement) dangereux, à quelque chose de suspect, à quelque chose qui excite l'imagination avec des promesses fantastiques et des risques énormes - d'où de telles questions. Admettons-le : les lois de la physique n’interdisent pas directement tout cela. Cependant, la mise en œuvre de ces idées est si éloignée de la réalité, des technologies modernes et des technologies des prochaines décennies, que la réponse pragmatique est simple : non, pour le monde moderne, cela n’est pas vrai. Les conversations sur ces sujets relèvent simplement de la fantaisie, fondées non pas sur de véritables réalisations scientifiques et techniques, mais sur leur extrapolation bien au-delà des limites des capacités modernes. Si vous souhaitez avoir une conversation sérieuse sur ces sujets, rapprochez-vous de 2100. Pour l’instant, parlons de la recherche scientifique actuelle sur l’antimatière.
Qu’est-ce que l’antimatière ?
Notre monde est conçu de telle manière que pour chaque type de particule - électrons, protons, neutrons, etc. - il existe des antiparticules (positons, antiprotons, antineutrons). Ils ont la même masse et, s'ils sont instables, la même demi-vie, mais des charges opposées et d'autres nombres caractérisant l'interaction. Les positons ont la même masse que les électrons, mais seulement une charge positive. Les antiprotons ont une charge négative. Les antineutrons sont électriquement neutres, tout comme les neutrons, mais ont un nombre de baryon opposé et sont composés d'antiquarks. Un antinoyau peut être assemblé à partir d’antiprotons et d’antineutrons. En ajoutant des positons, on crée des antiatomes, et en les accumulant, on obtient de l'antimatière. Tout cela est de l'antimatière.
Et ici, il y a plusieurs subtilités intéressantes qui méritent d'être évoquées. Tout d’abord, l’existence même des antiparticules est un immense triomphe de la physique théorique. Cette idée non évidente, voire choquante pour certains, a été théoriquement formulée par Paul Dirac et a d’abord été accueillie avec hostilité. De plus, même après la découverte des positrons, beaucoup doutaient encore de l’existence des antiprotons. Premièrement, disent-ils, Dirac a proposé sa propre théorie pour décrire l’électron, et ce n’est pas un fait que cela fonctionnera pour le proton. Par exemple, le moment magnétique d’un proton diffère plusieurs fois de la prédiction de la théorie de Dirac. Deuxièmement, ils ont longtemps recherché des traces d’antiprotons dans les rayons cosmiques, mais n’ont rien trouvé. Troisièmement, ils ont soutenu - répétant littéralement nos mots - que s'il y a des antiprotons, alors il doit y avoir des antiatomes, des antiétoiles et des antigalaxies, et nous les remarquerions certainement dans de grandioses explosions cosmiques. Puisque nous ne voyons pas cela, c’est probablement parce que l’antimatière n’existe pas. Par conséquent, la découverte expérimentale de l’antiproton en 1955 avec l’accélérateur Bevatron récemment lancé était un résultat plutôt non trivial, qui lui a valu le prix Nobel de physique en 1959. En 1956, l'antineutron est découvert dans le même accélérateur. L'histoire de ces recherches, doutes et réalisations peut être trouvée dans de nombreux essais historiques, par exemple dans ce rapport ou dans le livre récent de Frank Close, Antimatter.
Cependant, il faut dire séparément que le doute sain dans les déclarations purement théoriques est toujours utile. Par exemple, l’affirmation selon laquelle les antiparticules ont la même masse que les particules est également un résultat théorique ; elle découle d’un théorème CPT très important ; Oui, la physique moderne et testée expérimentalement du micromonde repose sur cette affirmation. Mais c’est toujours une égalité : qui sait, peut-être qu’ainsi nous trouverons les limites d’applicabilité de la théorie.
Autre particularité : toutes les forces du micromonde ne se rapportent pas de la même manière aux particules et aux antiparticules. Pour les interactions électromagnétiques et fortes, il n'y a pas de différence entre elles, pour les interactions faibles, il y en a. Pour cette raison, certains détails subtils des interactions des particules et des antiparticules diffèrent, par exemple les probabilités de désintégration de la particule A en un ensemble de particules B et de l'anti-A en un ensemble d'anti-B (pour plus de détails sur la différences, voir la collection de Pavel Pakhov). Cette caractéristique est due au fait que les interactions faibles brisent la symétrie CP de notre monde. Mais pourquoi cela se produit est l’un des mystères des particules élémentaires, et cela nécessite de dépasser les limites du connu.
Voici une autre subtilité : certaines particules ont si peu de caractéristiques que les antiparticules et les particules ne diffèrent pas du tout les unes des autres. De telles particules sont dites véritablement neutres. Il s'agit d'un photon, d'un boson de Higgs, de mésons neutres, constitués de quarks et d'antiquarks du même type. Mais la situation des neutrinos reste floue : peut-être sont-ils vraiment neutres (Majorana), ou peut-être pas. Ceci revêt une importance cruciale pour la théorie décrivant les masses et les interactions des neutrinos. La réponse à cette question constituera réellement une avancée majeure, car elle nous aidera à comprendre la structure de notre monde. L'expérience n'a encore rien dit sans ambiguïté à ce sujet. Mais le programme expérimental de recherche sur les neutrinos est si puissant, les expériences sont si nombreuses que les physiciens se rapprochent progressivement de la solution.
Où est cette antimatière ?
Lorsqu'une antiparticule rencontre sa particule, elle s'annihile : les deux particules disparaissent et se transforment en un ensemble de photons ou de particules plus légères. Toute énergie de repos se transforme en énergie de cette micro-explosion. Il s’agit de la conversion de masse en énergie thermique la plus efficace, des centaines de fois plus efficace qu’une explosion nucléaire. Mais nous ne voyons pas d’explosions naturelles grandioses autour de nous ; L'antimatière n'existe pas en quantités appréciables dans la nature. Cependant, des antiparticules individuelles pourraient bien naître dans divers processus naturels.
Le moyen le plus simple consiste à créer des positons. L'option la plus simple est la radioactivité, la désintégration de certains noyaux due à une radioactivité bêta positive. Par exemple, dans les expériences, l'isotope sodium-22, avec une demi-vie de deux ans et demi, est souvent utilisé comme source de positrons. Une autre source naturelle plutôt inattendue est celle au cours de laquelle des éclairs de rayonnement gamma provenant de l'annihilation de positrons sont parfois détectés, ce qui signifie que des positrons y sont nés d'une manière ou d'une autre.
Il est plus difficile de créer des antiprotons et autres antiparticules : il n'y a pas assez d'énergie de désintégration radioactive pour cela. Dans la nature, ils naissent sous l'influence de rayons cosmiques de haute énergie : un proton cosmique, entrant en collision avec une molécule des couches supérieures de l'atmosphère, génère des flux de particules et d'antiparticules. Or, cela se produit là-haut, les antiprotons n'atteignent presque jamais le sol (ce qui était inconnu de ceux qui recherchaient des antiprotons dans les rayons cosmiques dans les années 40), et on ne peut pas amener cette source d'antiprotons au laboratoire.
Dans toutes les expériences de physique, les antiprotons sont produits par « force brute » : ils prennent un faisceau de protons de haute énergie, le dirigent vers une cible et trient les « restes de hadrons » produits en grande quantité lors de cette collision. Les antiprotons triés sont émis sous forme de faisceau, puis ils sont soit accélérés à hautes énergies pour entrer en collision avec des protons (c'est ainsi que fonctionnait par exemple le collisionneur américain Tevatron), soit, à l'inverse, ils sont ralentis et utilisé pour des mesures plus subtiles.
Au CERN, qui peut à juste titre être fier d'une longue histoire de recherche sur l'antimatière, il existe un « accélérateur » spécial AD, le « Antiproton Moderator », qui accomplit précisément cette tâche. Il prélève un faisceau d'antiprotons, le refroidit (c'est-à-dire le ralentit), puis répartit le flux d'antiprotons lents sur plusieurs expériences spéciales. À propos, si vous souhaitez consulter l'état de la maladie d'Alzheimer en temps réel, les moniteurs en ligne Cernov le permettent.
Il est déjà très difficile de synthétiser des antiatomes, même les plus simples, les atomes d’antihydrogène. Ils n'apparaissent pas du tout dans la nature - il n'y a pas de conditions appropriées. Même en laboratoire, de nombreuses difficultés techniques doivent être surmontées avant que les antiprotons daignent se combiner avec les positrons. Le problème est que les antiprotons et positons émis par les sources sont encore trop chauds ; ils entreront simplement en collision les uns avec les autres et s'envoleront, plutôt que de former un anti-atome. Les physiciens surmontent encore ces difficultés, mais avec des méthodes assez astucieuses (comme c'est le cas dans l'une des expériences ASACUSA du Cern).
Que sait-on des antinoyaux ?
Toutes les réalisations antiatomiques de l’humanité concernent uniquement l’antihydrogène. Les antiatomes d'autres éléments n'ont pas encore été synthétisés en laboratoire ni observés dans la nature. La raison est simple : les antinoyaux sont encore plus difficiles à créer que les antiprotons.
La seule façon que nous connaissons pour créer des antinoyaux est d’entrer en collision avec des noyaux lourds de hautes énergies et de voir ce qui s’y passe. Si l’énergie de collision est élevée, des milliers de particules, dont des antiprotons et des antineutrons, naîtront et se disperseront dans toutes les directions. Les antiprotons et les antineutrons émis accidentellement dans une direction peuvent se combiner pour former un antinoyau.
Le détecteur ALICE peut distinguer différents noyaux et antinoyaux en fonction de leur libération d'énergie et de la direction de torsion dans un champ magnétique.
Image : CERN
La méthode est simple, mais pas trop inefficace : la probabilité de synthétiser un noyau de cette manière diminue fortement à mesure que le nombre de nucléons augmente. Les antinoyaux les plus légers, les antideutons, ont été observés pour la première fois il y a exactement un demi-siècle. L'Antihélium-3 a été observé en 1971. L'antitriton et l'antihélium-4 sont également connus, ce dernier ayant été découvert assez récemment, en 2011. Des antinoyaux plus lourds n'ont pas encore été observés.
Deux paramètres décrivant les interactions nucléon-nucléon (longueur de diffusion f0 et rayon effectif d0) pour différentes paires de particules. L'astérisque rouge est le résultat d'une paire d'antiprotons obtenu par la collaboration STAR.
Malheureusement, on ne peut pas fabriquer d’antiatomes de cette façon. Non seulement les antinoyaux sont rarement produits, mais ils ont également trop d'énergie et s'envolent dans toutes les directions. Essayer de les attraper dans un collisionneur, puis de les faire passer par un canal spécial et de les refroidir n'est pas réaliste.
Cependant, il suffit parfois de suivre attentivement les antinucléons en vol pour obtenir des informations intéressantes sur les forces antinucléaires agissant entre les antinucléons. Le plus simple est de mesurer soigneusement la masse des antinoyaux, de la comparer avec la somme des masses des antiprotons et des antineutrons, et de calculer le défaut de masse, c'est-à-dire énergie de liaison nucléaire. Il est récemment opérationnel au Large Hadron Collider ; L'énergie de liaison de l'antideutéron et de l'antihélium-3 coïncidait dans les limites d'erreur avec celle des noyaux ordinaires.
Un autre effet, plus subtil, a été étudié par l'expérience STAR au collisionneur d'ions lourds américain RHIC. Il a mesuré la distribution angulaire des antiprotons produits et a découvert comment elle change lorsque deux antiprotons sont émis dans une direction très proche. Les corrélations entre antiprotons ont permis pour la première fois de mesurer les propriétés des forces « antinucléaires » agissant entre eux (longueur de diffusion et rayon effectif d'interaction) ; ils coïncidaient avec ce que l'on sait de l'interaction des protons.
Y a-t-il de l'antimatière dans l'espace ?
Lorsque Paul Dirac a déduit l’existence des positrons de sa théorie, il a pleinement supposé que de véritables antimondes pouvaient exister quelque part dans l’espace. Nous savons désormais qu’il n’existe pas d’étoiles, de planètes ou de galaxies constituées d’antimatière dans la partie visible de l’Univers. Le fait n’est même pas que les explosions d’annihilation ne soient pas visibles ; Il est tout simplement inimaginable qu’ils aient pu se former et survivre jusqu’à nos jours dans un univers en constante évolution.
Mais la question « comment cela s’est-il produit » est un autre grand mystère de la physique moderne ; en langage scientifique, cela s'appelle le problème de la baryogenèse. Selon l’image cosmologique du monde, dans l’univers le plus ancien, il y avait un nombre égal de particules et d’antiparticules. Ensuite, en raison de la violation de la symétrie CP et du nombre de baryons, un petit excès de matière, au niveau d'un milliardième, par rapport à l'antimatière aurait dû apparaître dans un univers en développement dynamique. Au fur et à mesure que l'univers se refroidissait, toutes les antiparticules se sont recuites de particules ; seul cet excès de matière a survécu, ce qui a donné naissance à l'univers que nous observons. C'est grâce à lui qu'il reste au moins quelque chose d'intéressant, c'est grâce à lui que nous existons. On ne sait pas exactement comment cette asymétrie est apparue. Il existe de nombreuses théories, mais on ne sait pas laquelle est vraie. Il est clair qu’il doit s’agir d’une sorte de Nouvelle Physique, d’une théorie qui va au-delà du Modèle Standard, au-delà des limites de ce qui a été vérifié expérimentalement.
Trois options quant à l'origine des antiparticules des rayons cosmiques de haute énergie : 1 - elles peuvent simplement surgir et accélérer dans un « accélérateur cosmique », par exemple dans un pulsar ; 2 - ils peuvent naître lors de collisions de rayons cosmiques ordinaires avec des atomes du milieu interstellaire ; 3 - ils peuvent survenir lors de la désintégration de particules lourdes de matière noire.
Bien qu’il n’existe pas de planètes ou d’étoiles constituées d’antimatière, l’antimatière est toujours présente dans l’espace. Des flux de positrons et d'antiprotons de différentes énergies sont enregistrés par des observatoires satellitaires de rayons cosmiques, tels que PAMELA, Fermi, AMS-02. Le fait que les positons et les antiprotons nous viennent de l’espace signifie qu’ils sont nés quelque part là-bas. Les processus de haute énergie qui peuvent y donner naissance sont en principe connus : il s'agit de voisinages fortement magnétisés d'étoiles à neutrons, d'explosions diverses, d'accélérations de rayons cosmiques au niveau des fronts d'ondes de choc dans le milieu interstellaire, etc. La question est de savoir s’ils peuvent expliquer toutes les propriétés observées du flux d’antiparticules cosmiques. Si ce n’est pas le cas, cela constituera une preuve en faveur du fait que certains d’entre eux résultent de la désintégration ou de l’annihilation de particules de matière noire.
Il y a aussi un mystère ici. En 2008, l’observatoire PAMELA a découvert un nombre suspect de positons de haute énergie par rapport à ce que prédisait la modélisation théorique. Ces résultats ont été récemment confirmés par l'installation AMS-02 - l'un des modules de la Station spatiale internationale et, en général, le plus grand détecteur de particules élémentaires lancé dans l'espace (et assemblé, devinez où ? - correctement, au CERN). Cet excès de positons excite l'esprit des théoriciens - après tout, ce ne sont peut-être pas des objets astrophysiques « ennuyeux » qui en sont responsables, mais de lourdes particules de matière noire qui se désintègrent ou s'annihilent en électrons et positrons. Il n'y a pas encore de clarté ici, mais l'installation AMS-02, ainsi que de nombreux physiciens critiques, étudient ce phénomène très attentivement.
Le rapport entre les antiprotons et les protons dans les rayons cosmiques de différentes énergies. Les points sont des données expérimentales, les courbes multicolores sont des attentes astrophysiques comportant diverses erreurs.
Image : Bibliothèque de l'Université Cornell
La situation des antiprotons n’est pas non plus claire. En avril de cette année, AMS-02 a présenté les résultats préliminaires d'un nouveau cycle de recherche lors d'une conférence scientifique spéciale. Le point culminant du rapport était l'affirmation selon laquelle AMS-02 voit trop d'antiprotons de haute énergie - et cela pourrait également être un indice sur la désintégration des particules de matière noire. Cependant, d’autres physiciens ne sont pas d’accord avec une conclusion aussi réjouissante. On pense maintenant que les données sur les antiprotons d'AMS-02 peuvent, dans une certaine mesure, être expliquées par des sources astrophysiques conventionnelles. D’une manière ou d’une autre, tout le monde attend avec impatience les nouvelles données sur les positons et les antiprotons d’AMS-02.
AMS-02 a déjà détecté des millions de positrons et un quart de million d'antiprotons. Mais les créateurs de cette installation ont un rêve brillant : attraper au moins un antinoyau. Ce sera une véritable sensation - il est absolument incroyable que des antinoyaux naissent quelque part dans l'espace et volent vers nous. Jusqu’à présent, aucun cas de ce type n’a été découvert, mais la collecte de données se poursuit et qui sait quelles surprises la nature nous réserve.
Antimatière – anti-gravité ? Comment ressent-elle la gravité ?
Si nous nous appuyons uniquement sur une physique vérifiée expérimentalement et n'entrons pas dans des théories exotiques, encore non confirmées, alors la gravité devrait agir sur l'antimatière exactement de la même manière que sur la matière. Aucune antigravité n’est attendue pour l’antimatière. Si nous nous permettons de regarder un peu plus loin, au-delà des limites du connu, alors les options purement théoriquement possibles sont celles où, en plus de la force gravitationnelle universelle habituelle, il existe quelque chose de plus qui agit différemment sur la matière et l'antimatière. Aussi illusoire que puisse paraître cette possibilité, elle doit être vérifiée expérimentalement, et pour cela il est nécessaire de réaliser des expériences pour tester comment l'antimatière ressent la gravité terrestre.
Pendant longtemps, cela n’a pas vraiment été possible pour la simple raison qu’il fallait pour cela créer des atomes d’antimatière individuels, les piéger et mener des expériences avec eux. Maintenant que nous avons appris comment procéder, le test tant attendu approche à grands pas.
Le principal fournisseur de résultats est le même CERN avec son vaste programme d'étude de l'antimatière. Certaines de ces expériences ont déjà indirectement vérifié que la gravité de l’antimatière est correcte. Par exemple, il a découvert que la masse (inerte) de l’antiproton coïncide avec la masse du proton avec une très grande précision. Si la gravité avait agi différemment sur les antiprotons, les physiciens auraient remarqué la différence : après tout, la comparaison a été faite dans la même installation et dans les mêmes conditions. Résultat de cette expérience : l’effet de la gravité sur les antiprotons coïncide avec l’effet sur les protons avec une précision supérieure au millionième.
Cependant, cette mesure est indirecte. Pour être plus convaincant, j'aimerais mener une expérience directe : prendre plusieurs atomes d'antimatière, les laisser tomber et voir comment ils tombent dans un champ de gravité. De telles expériences sont également menées ou préparées au CERN. La première tentative n’a pas été très impressionnante. En 2013, l’expérience ALPHA – qui avait déjà appris à retenir un nuage d’antihydrogène dans son piège – a tenté de déterminer où tomberaient les antiatomes si le piège était désactivé. Malheureusement, en raison de la faible sensibilité de l'expérience, il n'a pas été possible d'obtenir une réponse sans ambiguïté : trop peu de temps s'était écoulé, les antiatomes se précipitaient dans le piège et des foyers d'annihilation se produisaient ici et là.
Deux autres expériences du Cern promettent d'améliorer radicalement la situation : GBAR et AEGIS. Ces deux expériences testeront de différentes manières la façon dont un nuage d’antihydrogène ultra-froid tombe dans un champ gravitationnel. Leur précision attendue dans la mesure de l'accélération de la gravité pour l'antimatière est d'environ 1 %. Les deux installations sont actuellement en phase d'assemblage et de débogage, et les principaux travaux de recherche débuteront en 2017, lorsque le modérateur d'antiprotons AD sera complété par le nouvel anneau de stockage ELENA.
Variantes de comportement des positons dans la matière solide.
Image : nature.com
Que se passe-t-il si un positron pénètre dans la matière ?
Formation de positronium moléculaire sur une surface de quartz.
Image : Clifford M. Surko / Physique atomique : Une bouffée de soupe à l'antimatière
Si vous avez lu jusqu'ici, vous savez déjà très bien que dès qu'une particule d'antimatière pénètre dans la matière ordinaire, l'annihilation se produit : les particules et l'antiparticule disparaissent et se transforment en rayonnement. Mais à quelle vitesse cela se produit-il ? Imaginons un positron qui s'envole du vide et pénètre dans une substance solide. Va-t-il s'annihiler au contact du premier atome ? Pas du tout nécessaire ! L’annihilation d’un électron et d’un positron n’est pas un processus instantané ; cela prend beaucoup de temps à l’échelle atomique. Ainsi, le positron parvient à vivre une vie brillante dans la matière, pleine d’événements non triviaux.
Premièrement, un positron peut capter un électron orphelin et former un état lié, le positronium (Ps). Avec une orientation de spin appropriée, le positronium peut vivre des dizaines de nanosecondes avant d’être annihilé. Étant dans la matière solide, pendant ce temps, il aura le temps d'entrer en collision avec des atomes des millions de fois, car la vitesse thermique du positronium à température ambiante est d'environ 25 km/s.
Deuxièmement, en dérivant dans une substance, le positronium peut remonter à la surface et s'y coller - il s'agit d'un analogue positronique (ou plutôt positronium) de l'adsorption atomique. À température ambiante, il ne reste pas au même endroit, mais se déplace activement le long de la surface. Et s’il ne s’agit pas d’une surface externe, mais d’un pore de taille nanométrique, alors le positronium y reste piégé pendant longtemps.
En outre. Dans le matériau standard pour de telles expériences, le quartz poreux, les pores ne sont pas isolés, mais sont reliés par des nanocanaux en un réseau commun. Le positronium chaud, rampant à la surface, aura le temps d'examiner des centaines de pores. Et comme beaucoup de positronium se forme dans de telles expériences et que presque tous rampent dans les pores, tôt ou tard ils se heurtent et, en interagissant, forment parfois de véritables molécules - le positronium moléculaire, Ps 2. Ensuite, vous pouvez étudier le comportement du gaz positronium, les états excités du positronium, etc. Et ne pensez pas que ce soient des considérations purement théoriques ; Tous ces effets ont déjà été testés et étudiés expérimentalement.
L'antimatière a-t-elle des applications pratiques ?
Bien sûr. En général, tout processus physique, s'il nous ouvre une nouvelle facette de notre monde et ne nécessite aucun coût supplémentaire, trouvera certainement des applications pratiques. De plus, de telles applications que nous n'aurions pas imaginées nous-mêmes si nous n'avions pas découvert et étudié au préalable le côté scientifique de ce phénomène.
L’application la plus connue des antiparticules est la TEP, tomographie par émission de positons. D’une manière générale, la physique nucléaire a un historique impressionnant d’applications médicales, et les antiparticules ne restent pas inactives ici non plus. Avec la TEP, une petite dose d'un médicament est injectée dans le corps du patient, contenant un isotope instable avec une durée de vie courte (de quelques minutes à quelques heures) et se décomposant en raison d'une désintégration bêta positive. Le médicament s'accumule dans les tissus souhaités, les noyaux se désintègrent et émettent des positrons qui s'annihilent à proximité et produisent deux quanta gamma d'une certaine énergie. Le détecteur les enregistre, détermine la direction et l'heure de leur arrivée et restitue le lieu où la décomposition s'est produite. Cela permet de construire une carte tridimensionnelle de la répartition de la matière avec une haute résolution spatiale et avec une dose de rayonnement minimale.
Les positrons peuvent également être utilisés en science des matériaux, par exemple pour mesurer la porosité d’une substance. Si la substance est continue, alors les positrons coincés dans la substance à une profondeur suffisante s'annihilent assez rapidement et émettent des rayons gamma. S’il y a des nanopores à l’intérieur de la substance, l’annihilation est retardée car le positronium adhère à la surface du pore. En mesurant ce délai, il est possible de déterminer le degré de nanoporosité d'une substance par une méthode sans contact et non destructive. Cette technique est illustrée par des travaux récents sur la manière dont les nanopores apparaissent et se referment dans la couche de glace la plus fine lorsque de la vapeur se dépose à la surface. Une approche similaire fonctionne également lors de l'étude des défauts structurels des cristaux semi-conducteurs, par exemple les lacunes et les dislocations, et permet de mesurer la fatigue structurelle du matériau.
Les antiprotons pourraient également avoir des applications médicales. Aujourd'hui, au même CERN, l'expérience ACE est menée, qui étudie l'effet d'un faisceau d'antiprotons sur les cellules vivantes. Son objectif est d'étudier les perspectives d'utilisation des antiprotons pour le traitement du cancer.
Libération d'énergie d'un faisceau d'ions et de rayons X lors du passage à travers une substance.
Image : Johannes Gutleber/CERN
Cette idée peut terrifier le lecteur par habitude : comment se fait-il qu'un faisceau d'antiprotons frappe une personne vivante ?! Oui, et c’est bien plus sûr que d’irradier une tumeur profonde avec des rayons X ! Un faisceau d'antiprotons d'énergie spécialement sélectionnée devient entre les mains d'un chirurgien un outil efficace avec lequel il est possible de brûler les tumeurs profondément à l'intérieur du corps et de minimiser l'impact sur les tissus environnants. Contrairement aux rayons X, qui brûlent tout ce qui tombe sous le faisceau, les particules lourdes chargées qui traversent la matière libèrent l'essentiel de leur énergie dans les derniers centimètres avant de s'arrêter. En ajustant l'énergie des particules, vous pouvez faire varier la profondeur à laquelle les particules s'arrêtent ; C’est cette région, mesurant quelques millimètres, qui subira le principal impact des radiations.
Ce type de radiothérapie par faisceau de protons est utilisé depuis longtemps dans de nombreuses cliniques bien équipées à travers le monde. Récemment, certains d’entre eux se sont tournés vers la thérapie ionique, qui utilise un faisceau d’ions carbone plutôt que des protons. Pour eux, le profil de libération énergétique est encore plus contrasté, ce qui fait que l’efficacité du couple « effets thérapeutiques versus effets secondaires » augmente. Mais il est depuis longtemps proposé d’essayer des antiprotons dans ce but. Après tout, lorsqu'ils pénètrent dans une substance, ils abandonnent non seulement leur énergie cinétique, mais s'annihilent également après s'être arrêtés - ce qui augmente plusieurs fois la libération d'énergie. L’endroit où cette énergie supplémentaire est déposée est une question complexe qui doit être soigneusement étudiée avant le lancement des essais cliniques.
C’est exactement ce que fait l’expérience ACE. Dans ce document, les chercheurs font passer un faisceau d'antiprotons à travers une cuvette contenant une culture bactérienne et mesurent leur survie en fonction de l'emplacement, des paramètres du faisceau et des caractéristiques physiques de l'environnement. Cette collecte méthodique et peut-être ennuyeuse de données techniques constitue une étape initiale importante de toute nouvelle technologie.
Igor Ivanov
« L’antimatière n’est physiquement et chimiquement pas différente de la matière. En fait, c’est la même chose, mais retournée à l’envers. Nos ouvrages de référence en physique et chimie conviennent aussi bien aux procyonides qu'à nous. Ils décrivent les mêmes schémas, les mêmes réactions avec les mêmes éléments. Seulement pour eux, notre matière est l'antimatière. La question est de savoir de quel côté regarder. » (Krzysztof Borun, « Antimir », 1963)
L'idée de la possibilité de l'existence de l'antimatière a été exprimée à l'époque de la physique classique, à la fin du XIXe siècle.
L'hydrogène et l'antihydrogène ont une structure complètement identique : ils sont constitués d'un hadron et d'un lepton. Dans le premier cas, un proton chargé positivement, composé de trois quarks (deux up et un down), et un électron chargé négativement forment un atome d'hydrogène familier. L'antihydrogène est constitué d'un antiproton chargé négativement, lui-même constitué de trois antiquarks correspondants et d'un positron chargé positivement (l'antiparticule de l'électron).
L'annihilation d'un électron et d'un positron dans le cas de basses énergies génère au moins deux photons (cela est dû à la conservation de l'impulsion). Ce processus peut être représenté schématiquement à l’aide du diagramme dit de Feynman. Lorsqu’un certain seuil d’énergie est dépassé, une annihilation peut se produire avec la naissance de photons « virtuels », qui se désintègrent à nouveau rapidement en paires d’électrons et de positrons.
Modèle informatique d'annihilation de la matière et de l'antimatière. Les lignes rouges sont des photons volant dans des directions opposées lors de l'annihilation des positrons, et les lignes jaunes sont des particules formées lors de l'annihilation des antiprotons. Les traces proviennent d'un seul point - c'est la preuve que les antiprotons et les positrons forment des atomes d'antihydrogène (expérience ATHENA au CERN)
Chambre de projection temporelle de l'expérience PANDA au Centre International FAIR de Darmstadt
La découverte des antiparticules est à juste titre considérée comme la plus grande réussite de la physique du XXe siècle. Cela prouvait pour la première fois l’instabilité de la matière au niveau le plus profond et le plus fondamental. Avant cela, tout le monde était sûr que la matière de notre monde est composée de particules élémentaires qui ne disparaissent jamais et ne renaissent jamais. Cette simple image est devenue chose du passé lorsqu'il a été prouvé, il y a près de 80 ans, qu'un électron et son jumeau chargé positivement disparaissaient lorsqu'ils se rencontraient, donnant naissance à des quanta de rayonnement électromagnétique. Plus tard, il s'est avéré que les particules du micromonde ont généralement tendance à se transformer les unes dans les autres, et ce, de plusieurs manières. La découverte des antiparticules a marqué le début d'une transformation radicale des idées fondamentales sur la nature de la matière.
L'idée de la possibilité de l'existence de l'antimatière a été exprimée pour la première fois en 1898 - l'Anglais Arthur Schuster a publié une note très vague dans la revue Nature, probablement inspirée par la récente découverte de l'électron. « Si l’électricité négative existe », a demandé Schuster, « alors pourquoi n’y aurait-il pas d’or chargé négativement, du même jaune, avec le même point de fusion et le même spectre ? » Et puis, pour la première fois dans la littérature scientifique mondiale, apparaissent les mots « antiatome » et « antimatière ». Schuster a supposé que les antiatomes sont attirés les uns vers les autres par les forces gravitationnelles, mais sont repoussés par la matière ordinaire.
Les antiélectrons ont été remarqués pour la première fois lors d’une expérience, toujours avant leur découverte officielle. C'est ce qu'a fait le physicien de Léningrad Dmitri Skobeltsine, qui a étudié dans les années 1920 la diffusion des rayons gamma par les électrons dans une chambre à nuages placée dans un champ magnétique. Il a remarqué que certaines pistes, apparemment d'origine électronique, étaient courbées dans le mauvais sens. Le fait est bien sûr qu’un quantum gamma, lorsqu’il interagit avec la matière, peut donner naissance à un électron et à un positon, qui se tordent dans des directions opposées dans un champ magnétique. Bien entendu, Skobeltsine ne le savait pas et ne pouvait pas expliquer cet effet étrange, mais en 1928, il en fit état lors d'une conférence internationale à Cambridge. Par une coïncidence intéressante, un an plus tôt, un jeune physicien théoricien, Paul Dirac, avait été élu au conseil du St. John's College de Cambridge, dont les recherches ont finalement permis d'expliquer ces anomalies.
équation de Dirac
En 1926, l'Autrichien Erwin Schrödinger a formulé une équation décrivant le comportement de particules non relativistes régies par la mécanique quantique : une équation différentielle dont les solutions déterminent les états de la particule. L'équation de Schrödinger décrit une particule qui n'a pas son propre moment cinétique - le spin (en d'autres termes, ne se comporte pas comme une toupie). Cependant, en 1926, on savait déjà que les électrons ont un spin qui peut avoir deux valeurs différentes : grosso modo, l'axe du sommet de l'électron n'est orienté dans l'espace que dans deux directions opposées (un an plus tard, des preuves similaires ont été obtenues pour les protons) . Parallèlement, le théoricien suisse Wolfgang Pauli généralise l'équation de Schrödinger pour l'électron afin qu'elle permette de prendre en compte le spin. Ainsi, le spin a d’abord été découvert expérimentalement, puis artificiellement imposé à l’équation de Schrödinger.
Dans la mécanique relativiste d'Einstein, la formule de l'énergie d'une particule libre semble plus compliquée que dans la mécanique newtonienne. Traduire la formule d'Einstein en une équation quantique n'est pas difficile ; Schrödinger et trois de ses contemporains l'ont fait. Mais les solutions à une telle équation montrent que la probabilité de trouver une particule à un certain point peut s'avérer négative, ce qui n'a aucune signification physique. D'autres problèmes surviennent du fait que la structure mathématique de la nouvelle équation (appelée équation de Klein-Gordon) s'écarte de la théorie de la relativité (en langage formel, elle n'est pas invariante relativiste).
C’est à ce problème que Dirac réfléchit en 1927. Pour préserver l'invariance, il a inclus dans l'équation non pas les carrés des opérateurs d'énergie et de quantité de mouvement, mais leur puissance première. Pour écrire l’équation sous cette forme, nous avons dû initialement introduire des matrices 4x4 plus complexes que celle de Pauli. Cette équation a quatre solutions équivalentes, et dans deux cas l’énergie électronique est positive et dans deux cas elle est négative.
C’est là que le problème est survenu. La première paire de solutions a été interprétée simplement : il s'agit d'un électron ordinaire dans chacun des états de spin possibles. Si nous ajoutons un champ électromagnétique à l’équation de Dirac, il s’avère facilement que l’électron a le bon moment magnétique. Ce fut un succès gigantesque pour la théorie de Dirac, qui conféra à l'électron à la fois un spin et un moment magnétique sans aucune hypothèse supplémentaire. Cependant, au début, personne ne pouvait décider quoi faire des décisions restantes. Dans la mécanique newtonienne et einsteinienne, l’énergie d’une particule libre n’est jamais négative, et les particules dont l’énergie est inférieure à zéro étaient déroutantes. De plus, il n’était pas clair pourquoi les électrons ordinaires n’entrent pas dans des états d’énergie manifestement plus faible prédits par la théorie de Dirac, alors que les électrons dans les coquilles des atomes ne manquent pas cette opportunité.
Recherche de sens
Deux ans plus tard, Dirac a trouvé une très belle interprétation des solutions paradoxales. Selon le principe de Pauli, deux électrons (comme toute particule à spin demi-entier) ne peuvent pas être simultanément dans le même état quantique. Selon Dirac, tous les états à énergie négative sont normalement déjà remplis, et le passage à ces états depuis la zone d'énergie positive est interdit par le principe de Pauli. Par conséquent, la mer d'électrons de Dirac à énergie négative est, en principe, inobservable, mais seulement tant qu'elle ne contient pas de postes vacants. Une telle vacance peut être créée si un électron passe d'un niveau d'énergie négatif à un niveau positif (par exemple, par un quantum de rayonnement électromagnétique suffisamment puissant). Puisque la mer d’électrons perdra une unité de charge négative, la lacune résultante (Dirac l’appelait un trou) se comportera dans un champ électrique comme une particule avec une charge positive. Selon la même logique, la chute d'un électron d'un état normal dans un tel trou entraîne la disparition à la fois de l'électron et du trou, accompagnée de l'émission d'un photon.
Comment les trous de Dirac se manifestent-ils dans le monde réel ? Au début, Dirac les identifiait aux protons, dont il parlait en 1930 dans Nature. C’était pour le moins étrange : un proton est 2000 fois plus lourd qu’un électron. Le futur académicien et lauréat du prix Nobel Igor Tamm et le futur père de la bombe atomique Robert Oppenheimer ont avancé une objection plus sérieuse, notant que chaque atome d'hydrogène est alors menacé d'extinction, et que cela ne se produit pas dans la nature. Dirac abandonna bientôt cette hypothèse et publia en septembre 1931 un article dans lequel il prédisait que les trous, s'ils pouvaient être détectés, se révéleraient être des particules complètement nouvelles, inconnues de la physique expérimentale. Il a proposé de les appeler antiélectrons.
Le modèle Dirac est devenu une chose de l’histoire après la création de l’électrodynamique quantique et de la théorie quantique des champs, qui attribuent la même réalité aux particules et aux antiparticules. Il résulte également de l'électrodynamique quantique que la rencontre d'un électron libre avec un antiélectron entraîne la création d'au moins une paire de quanta, donc dans cette partie le modèle est tout simplement incorrect. Comme cela arrive souvent, l’équation de Dirac s’est avérée bien plus intelligente que l’interprétation proposée par son créateur.
Découverte de l'antiélectron
Comme déjà mentionné, les positrons ont été observés par Dmitry Skobeltsin. En 1930, Chung-Yao Chao, étudiant diplômé de Caltech, les a rencontrés alors qu'il étudiait le passage des rayons gamma à travers une feuille de plomb. Dans cette expérience, des paires électron-positron sont apparues, après quoi les positrons nouveau-nés se sont annihilés avec les électrons des coquilles atomiques et ont généré un rayonnement gamma secondaire, que Chao a enregistré. Cependant, de nombreux physiciens ont douté des résultats et ces travaux n'ont pas été reconnus.
Le chef de Chao était le président de Caltech, le lauréat du prix Nobel Robert Millikan, qui travaillait à l'époque sur les rayons cosmiques (c'est lui qui a inventé ce terme). Millikan les considérait comme un flux de rayons gamma et s'attendait donc à ce qu'ils divisent les atomes en électrons et en protons (le neutron fut découvert plus tard, en 1932). Millikan a suggéré de tester cette hypothèse à Karl Anderson, un autre de ses étudiants diplômés et également ami de Chao. Comme Skobeltsine, il a décidé d'utiliser une chambre à brouillard reliée à un électro-aimant très puissant. Anderson a également obtenu des traces de particules chargées, dont l'apparence ne différait pas des traces d'électrons, mais étaient courbées dans la direction opposée. Au début, il les attribuait aux électrons, qui se déplacent non pas de haut en bas, mais de bas en haut. Pour le contrôle, il a installé une plaque de plomb de 6 mm d'épaisseur au centre de la chambre. Il s'est avéré qu'au-dessus de la plaque, l'impulsion des particules avec des traces de type électronique était plus de deux fois supérieure à celle de la partie inférieure de la chambre - il s'ensuivait que toutes les particules se déplaçaient de haut en bas. La même technique a prouvé que les particules présentant une torsion anormale ne peuvent pas être des protons : elles resteraient coincées dans un écran de plomb.
En fin de compte, Anderson est arrivé à la conclusion que presque toutes les traces anormales appartiennent à des particules légères chargées positivement. Cependant, Milliken n'y croyait pas et Anderson ne voulait pas publier dans la presse scientifique sans l'approbation de son patron. Par conséquent, il s'est limité à une courte lettre au magazine populaire Science News Letter et a joint une photographie de la piste anormale. L'éditeur, qui était d'accord avec l'interprétation d'Anderson, a proposé d'appeler la nouvelle particule un positon. Cette photographie a été publiée en décembre 1931.
Rappelons maintenant que Dirac a publié l'hypothèse de l'existence d'un antiélectron en septembre. Cependant, Anderson et Millikan ne savaient presque rien de sa théorie et n’en comprenaient guère l’essence. Par conséquent, il n’est pas venu à l’esprit d’Anderson d’identifier le positron avec l’antiélectron de Dirac. Il essaya longtemps de convaincre Millikan qu'il avait raison, mais sans succès, il publia en septembre 1932 une note sur ses observations dans la revue Science. Cependant, dans ce travail, nous ne parlons toujours pas d'un jumeau électronique, mais seulement d'une particule chargée positivement d'un type inconnu, dont la masse est bien inférieure à la masse d'un proton.
La prochaine étape vers l'identification de l'antiélectron a été franchie là où il avait été prédit - à Cambridge. Le physicien anglais Patrick Blackett et son collègue italien Giuseppe Occhialini ont étudié les rayons cosmiques au célèbre laboratoire Cavendish, dirigé par le grand Rutherford. Occhialini a proposé d'équiper la chambre Wilson d'un circuit électronique (inventé par son compatriote Bruno Rossi), qui allumait la caméra en cas d'activation simultanée des compteurs Geiger, dont l'un était installé au-dessus de la caméra et l'autre en dessous. À l'automne 1932, les partenaires avaient reçu environ 700 photographies de traces pouvant être attribuées à des particules chargées d'origine cosmique. Parmi eux se trouvaient également des paires de traces en forme de V générées par des électrons et des positons divergents dans un champ magnétique.
Blackett connaissait l'antiélectron prédit par Dirac, mais n'a pas pris sa théorie au sérieux. Dirac lui-même n’a pas non plus vu sa particule hypothétique dans les photographies de Blackett. En conséquence, Blackett et Occhialini n’ont interprété correctement leurs photographies que plus tard, lorsqu’ils ont pris connaissance de la publication d’Anderson de septembre. Ils présentèrent leurs découvertes dans un article au titre modeste « Photographies de traces de rayonnement pénétrant », qui parvint aux éditeurs de la revue Proceedings of the Royal Society le 7 février 1933. À ce moment-là, Anderson avait pris conscience des concurrents de Cavendish et résumait de manière adéquate ses résultats dans un article de quatre pages, « The Positive Electron », paru dans la revue Physical Review le 28 février. La priorité d'Anderson étant établie par des publications antérieures, c'est lui seul qui reçut le prix Nobel pour la découverte du positron (en 1936, avec le découvreur des rayons cosmiques, Victor Hess). Blackett a reçu ce prix 12 ans plus tard (avec la mention "Pour l'amélioration des méthodes d'observation des chambres à nuages et pour les découvertes dans le domaine de la physique nucléaire et du rayonnement cosmique"), mais Occhialini a été contourné pour le prix - on pense que pour des raisons politiques .
Bientôt, la recherche sur les positrons a progressé à pas de géant. Le physicien parisien Jean Thibault a observé des paires électron-positon d'origine terrestre générées par l'inhibition des quanta gamma du plomb issu d'une source radioactive. Il a prouvé que pour les deux particules, la valeur absolue du rapport charge/masse coïncide avec une très grande précision. En 1934, Frédéric Joliot et Irène Curie découvrent que les positons proviennent également de désintégrations radioactives. Ainsi, au milieu des années 30 du XXe siècle, l’existence des antiélectrons prédite par Dirac était devenue un fait établi.
Antinucléons
Le mécanisme de génération de positons par les rayons cosmiques est établi depuis longtemps. Le rayonnement cosmique primaire est principalement constitué de protons d'énergie supérieure à 1 GeV qui, lorsqu'ils entrent en collision avec des noyaux atomiques dans la haute atmosphère, produisent des pions et d'autres particules instables. Les pions donnent lieu à de nouvelles désintégrations, au cours desquelles apparaissent des quanta gamma qui, décélérés dans la matière, produisent des paires électron-positon.
Des protons suffisamment rapides, lorsqu'ils entrent en collision avec des noyaux atomiques, peuvent générer directement des antiprotons et des antineutrons. Au milieu du XXe siècle, les physiciens ne doutaient plus de la possibilité de telles transformations et cherchaient leurs traces dans les rayons cosmiques secondaires. Les résultats de certaines observations pourraient sembler être interprétés comme une annihilation d’antiprotons, mais sans certitude totale. Par conséquent, des physiciens américains ont proposé un projet de construction d'un accélérateur de protons de 6 GeV, dans lequel, selon la théorie, il était possible d'obtenir les deux types d'antinucléons. Cette machine, appelée bevatron, a été lancée au laboratoire Lawrence Berkeley en 1954. Un an plus tard, Owen Chamberlain, Emilio Segre et leurs collègues obtenaient des antiprotons en tirant des protons sur une cible en cuivre. Un an plus tard, un autre groupe de physiciens de la même installation a enregistré des antineutrons. En 1965, des noyaux antideutériens composés d'un antiproton et d'un antineutron ont été synthétisés au CERN et au Laboratoire national de Brookhaven. Et au début des années 1970, un message est venu de l'URSS selon lequel des noyaux d'antihélium-3 (deux antiprotons et un antineutron) et d'antitritium (un antiproton et deux antineutrons) étaient synthétisés à l'accélérateur de protons de 70 GeV de l'Institut de physique des hautes énergies ; en 2002, plusieurs noyaux légers d'antihélium ont été obtenus au CERN. Les choses n’ont pas encore avancé, la synthèse d’au moins un noyau anti-or relève donc d’un avenir lointain.
Antimatière artificielle
Les noyaux sont des noyaux, mais la véritable antimatière nécessite des atomes à part entière. Le plus simple d’entre eux est un atome d’antihydrogène, un antiproton et un positon. De tels atomes ont été créés pour la première fois au CERN en 1995, 40 ans après la découverte de l'antiproton. Il est fort possible qu'il s'agisse des premiers atomes d'antihydrogène au cours de l'existence de notre Univers après le Big Bang - dans des conditions naturelles, la probabilité de leur naissance est presque nulle et l'existence de civilisations technologiques extraterrestres est toujours remise en question.
Cette expérience a été réalisée sous la direction du physicien allemand Walter Ohlert. Le CERN a ensuite exploité l'anneau de stockage LEAR, qui stockait des antiprotons de faible énergie (seulement 5,9 MeV) (il a fonctionné de 1984 à 1996). Dans l'expérience du groupe d'Ohlert, des antiprotons étaient dirigés vers un jet de xénon. Après la collision des antiprotons avec les noyaux de ce gaz, des paires électron-positron sont apparues, et certains positrons extrêmement rarement (avec une fréquence de 10 à 17 % !) se sont combinés avec des antiprotons pour former des atomes d'antihydrogène, se déplaçant presque à la vitesse de la lumière. Les antiatomes non chargés ne pouvaient plus tourner à l’intérieur de l’anneau et s’envolaient vers les deux détecteurs. Dans le premier appareil, chaque antiatome était ionisé et le positron libéré était annihilé avec un électron, générant ainsi une paire de quanta gamma. L'antiproton est allé au deuxième détecteur qui, avant la disparition de cette particule, a réussi à déterminer sa charge et sa vitesse. Une comparaison des données des deux détecteurs a montré qu'au moins 9 atomes d'antihydrogène ont été synthétisés au cours de l'expérience. Bientôt, des atomes d'antihydrogène relativistes furent créés au Fermilab.
Depuis l'été 2000, le CERN exploite un nouvel anneau AD (Antiproton Decelerator). Il reçoit des antiprotons d'une énergie cinétique de 3,5 GeV, qui sont ralentis jusqu'à une énergie de 100 MeV puis utilisés dans diverses expériences. Les groupes ATHENA et ATRAP y ont commencé à travailler sur l'antimatière et, en 2002, ils ont commencé à obtenir des dizaines de milliers d'atomes d'antihydrogène à la fois. Ces atomes naissent dans des bouteilles électromagnétiques spéciales (appelées pièges de Penning), où sont mélangés les antiprotons provenant de l'AD et les positrons nés lors de la désintégration du sodium-22. Certes, la durée de vie des antiatomes neutres dans un tel piège se mesure en microsecondes seulement (mais les positrons et les antiprotons peuvent y être stockés pendant des mois !). Des technologies de stockage à plus long terme de l’antihydrogène sont actuellement en cours de développement.
Lors d'une conversation avec PM, le chef du groupe ATRAP (le projet ATHENA est déjà terminé), le professeur de l'Université Harvard, Gerald Gabriels, a souligné que, contrairement à LEAR, l'installation AD permet une synthèse relativement lente (comme disent les physiciens, à froid ) atomes d'antihydrogène, avec lesquels il est beaucoup plus facile de travailler. Les scientifiques tentent désormais de refroidir encore davantage les antiatomes et de transférer leurs positons vers des niveaux d'énergie inférieurs. Si cela réussit, il sera possible de maintenir les antiatomes dans des pièges de force plus longtemps et de déterminer leurs propriétés physiques (par exemple, leurs caractéristiques spectrales). Ces indicateurs peuvent être comparés aux propriétés de l’hydrogène ordinaire et enfin comprendre en quoi l’antimatière diffère de la matière. Il y a encore beaucoup de travail à faire.
ANTIMATIÈRE
une substance constituée d'atomes dont les noyaux ont une charge électrique négative et sont entourés de positrons - des électrons avec une charge électrique positive. Dans la matière ordinaire, à partir de laquelle est construit le monde qui nous entoure, les noyaux chargés positivement sont entourés d’électrons chargés négativement. Pour la distinguer de l'antimatière, la matière ordinaire est parfois appelée monnaiematière (du grec koinos - ordinaire). Cependant, ce terme n'est pratiquement pas utilisé dans la littérature russe. Il convient de souligner que le terme « antimatière » n'est pas tout à fait correct, puisque l'antimatière est aussi de la matière, un type de celle-ci. L'antimatière possède les mêmes propriétés inertielles et crée la même attraction gravitationnelle que la matière ordinaire. Lorsqu’on parle de matière et d’antimatière, il est logique de commencer par les particules élémentaires (subatomiques). Chaque particule élémentaire possède une antiparticule ; les deux ont presque les mêmes caractéristiques, sauf qu’ils ont des charges électriques opposées. (Si la particule est neutre, alors l'antiparticule est également neutre, mais elles peuvent différer par d'autres caractéristiques. Dans certains cas, la particule et l'antiparticule sont identiques.) Ainsi, un électron, une particule chargée négativement, correspond à un positron, et l'antiparticule d'un proton avec une charge positive est un antiproton chargé négativement. Le positron a été découvert en 1932 et l'antiproton en 1955 ; ce furent les premières antiparticules découvertes. L'existence des antiparticules a été prédite en 1928 sur la base de la mécanique quantique par le physicien anglais P. Dirac. Lorsqu'un électron et un positron entrent en collision, ils s'annihilent, c'est-à-dire les deux particules disparaissent et deux rayons gamma sont émis depuis le point de leur collision. Si les particules en collision se déplacent à faible vitesse, alors l’énergie de chaque quantum gamma est de 0,51 MeV. Cette énergie est « l’énergie au repos » de l’électron, ou sa masse au repos, exprimée en unités d’énergie. Si les particules en collision se déplacent à grande vitesse, l’énergie des rayons gamma sera alors plus grande en raison de leur énergie cinétique. L'annihilation se produit également lorsqu'un proton entre en collision avec un antiproton, mais le processus dans ce cas est beaucoup plus compliqué. Puisque les antiparticules existent, la question se pose de savoir si des antinoyaux peuvent être formés à partir d’antiparticules. Les noyaux des atomes de la matière ordinaire sont constitués de protons et de neutrons. Le noyau le plus simple est le noyau de l'isotope de l'hydrogène ordinaire 1H ; il représente un seul proton. Le noyau de deutérium 2H est constitué d'un proton et d'un neutron ; ça s'appelle un deuton. Un autre exemple de noyau simple est le noyau 3He, composé de deux protons et d’un neutron. L'antideuton, constitué d'un antiproton et d'un antineutron, a été obtenu en laboratoire en 1966 ; Le noyau anti-3He, composé de deux antiprotons et d'un antineutron, a été obtenu pour la première fois en 1970. Selon la physique des particules moderne, avec les moyens techniques appropriés, il serait possible d'obtenir les antinoyaux de tous les noyaux ordinaires. Si ces antinoyaux sont entourés du nombre approprié de positrons, ils forment alors des antiatomes. Les antiatomes auraient presque exactement les mêmes propriétés que les atomes ordinaires ; ils formeraient des molécules à partir desquelles pourraient être formés des solides, des liquides et des gaz, y compris des substances organiques. Par exemple, deux antiprotons et un noyau d'antioxygène ainsi que huit positrons pourraient former une molécule anti-eau semblable à l'eau ordinaire H2O, dont chaque molécule est constituée de deux protons de noyaux d'hydrogène, d'un noyau d'oxygène et de huit électrons. La théorie moderne des particules est capable de prédire que l’antieau gèlera à 0°C, bouillira à 100°C et se comportera autrement comme de l’eau ordinaire. En poursuivant ce raisonnement, nous pouvons arriver à la conclusion qu’un anti-monde construit à partir d’antimatière serait extrêmement similaire au monde ordinaire qui nous entoure. Cette conclusion sert de point de départ aux théories d'un univers symétrique, basées sur l'hypothèse que l'univers contient des quantités égales de matière ordinaire et d'antimatière. Nous vivons dans cette partie constituée de matière ordinaire. Si deux morceaux identiques de substances de types opposés sont mis en contact, alors l'annihilation des électrons avec des positrons et des noyaux avec des antinoyaux se produira. Dans ce cas, des quanta gamma apparaîtront, par l'apparence desquels on pourra juger de ce qui se passe. Puisque la Terre, par définition, est constituée de matière ordinaire, elle ne contient pas de quantités appréciables d’antimatière, à l’exception du petit nombre d’antiparticules produites dans les grands accélérateurs et dans les rayons cosmiques. La même chose s'applique à l'ensemble du système solaire. Les observations montrent que seule une quantité limitée de rayonnement gamma est produite au sein de notre Galaxie. De là, un certain nombre de chercheurs concluent qu’il ne contient aucune quantité notable d’antimatière. Mais cette conclusion n'est pas incontestable. Il n’existe actuellement aucun moyen de déterminer, par exemple, si une étoile proche donnée est composée de matière ou d’antimatière ; une étoile d'antimatière émet exactement le même spectre qu'une étoile normale. De plus, il est fort possible que la matière raréfiée qui remplit l'espace autour de l'étoile et qui est identique à la matière de l'étoile elle-même soit séparée de zones remplies de matière du type opposé - de très fines « couches de Leidenfrost » à haute température. Ainsi, on peut parler d'une structure « cellulaire » de l'espace interstellaire et intergalactique, dans laquelle chaque cellule contient soit de la matière, soit de l'antimatière. Cette hypothèse est étayée par des recherches modernes montrant que la magnétosphère et l'héliosphère (espace interplanétaire) ont une structure cellulaire. Les cellules présentant des magnétisations différentes et parfois aussi des températures et des densités différentes sont séparées par des coques de courant très fines. Cela conduit à la conclusion paradoxale que ces observations ne contredisent pas l’existence d’antimatière, même au sein de notre Galaxie. Si auparavant il n'existait pas d'arguments convaincants en faveur de l'existence de l'antimatière, aujourd'hui les succès de l'astronomie aux rayons X et gamma ont changé la donne. Des phénomènes associés à une libération d’énergie énorme et souvent très désordonnée ont été observés. Très probablement, la source d’une telle libération d’énergie était l’annihilation. Le physicien suédois O. Klein a développé une théorie cosmologique basée sur l'hypothèse de symétrie entre matière et antimatière et est arrivé à la conclusion que les processus d'annihilation jouent un rôle décisif dans l'évolution de l'Univers et la formation de la structure des galaxies.
Il devient de plus en plus clair que la principale théorie alternative - la théorie du « big bang » - contredit sérieusement les données d'observation et que la place centrale dans la résolution des problèmes cosmologiques dans un avenir proche sera probablement occupée par la « cosmologie symétrique ». Le rôle de l'antimatière dans les problèmes de cosmologie est discuté dans le livre de l'auteur Worlds - Antiworlds : Antimatter in Cosmology (1966).
voir également
COSMOLOGIE;
PARTICULES ÉLÉMENTAIRES.
LITTÉRATURE
Weinberg S. Les trois premières minutes. M., 1981 Silk J. Le Big Bang. M., 1982 Davis P. Superpuissance ; recherche d'une théorie unifiée de la nature. M., 1989
Encyclopédie de Collier. - Société ouverte. 2000 .
Synonymes:Voyez ce qu'est « ANTIMATIÈRE » dans d'autres dictionnaires :
Antimatière... Dictionnaire d'orthographe-ouvrage de référence
antimatière- antimatière/, a/… Ensemble. À part. Avec trait d'union.
UN; Épouser Phys. Matière construite à partir d'antiparticules. ◁ Antimatière, oh, oh. * * * L'antimatière est une matière construite à partir d'antiparticules. Les noyaux des atomes d'antimatière sont constitués d'antiprotons et d'antineutrons, et les coquilles atomiques sont constituées de positrons.... ... Dictionnaire encyclopédique
L'antimatière est une substance constituée d'antiparticules. Contenu 1 Propriétés 2 Obtention 3 Coût ... Wikipédia
ANTIMATIÈRE, substance composée d'antiparticules. Les noyaux des atomes d'antimatière sont constitués d'antiprotons et d'antineutrons, et le rôle d'électrons est joué par les positrons. On suppose que dans les premiers instants de la formation de l'Univers, l'antimatière et la matière... ... Encyclopédie moderne
Matière construite à partir d'antiparticules. Les noyaux des atomes d’antimatière sont constitués d’antiprotons et d’antineutrons, et les coquilles atomiques sont constituées de positrons. Les accumulations d'antimatière dans l'Univers n'ont pas encore été découvertes. Reçu dans des accélérateurs de particules chargées... ... Grand dictionnaire encyclopédique
ANTIMATIÈRE, substance constituée d'antiparticules identiques aux particules ordinaires en tous points sauf la CHARGE ÉLECTRIQUE, LE SPIN ET LE MOMENT MAGNÉTIQUE, qui ont le signe opposé. Lorsqu'une antiparticule, par exemple un positron... ... Dictionnaire encyclopédique scientifique et technique
Épouser. Matière formée d'antiparticules (en physique). Dictionnaire explicatif d'Éphraïm. T.F. Efremova. 2000... Dictionnaire explicatif moderne de la langue russe par Efremova
Matière construite à partir d'antiparticules. Les noyaux des atomes en va sont constitués de protons et de neutrons, et les elns forment les coquilles des atomes. Dans les atomes, les noyaux sont constitués d’antiprotons et d’antineutrons, et les positrons remplacent les électrons dans leur coquille. Selon le moderne théories, poison... Encyclopédie physique
Nom, nombre de synonymes : 1 antimatière (2) Dictionnaire des synonymes ASIS. V.N. Trishin. 2013… Dictionnaire de synonymes
ANTIMATIÈRE- matière constituée de (voir). La question de la prévalence d’A. dans l’Univers reste ouverte... Grande encyclopédie polytechnique
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L'antimatière est une matière constituée d'antiparticules, c'est-à-dire de particules ayant exactement la même signification et les mêmes propriétés, mais opposées en termes de signification et de propriétés, à celles dont elles sont opposées. Chaque particule possède sa propre copie miroir : une antiparticule. Les antiparticules du proton et du neutron sont appelées respectivement antiproton, antineutron et positron. Les protons et les neutrons, quant à eux, sont constitués de particules encore plus petites appelées quarks. Les antiprotons et les antineutrons sont constitués d'antiquarks.
Les antiparticules portent une charge similaire mais opposée à celle de leurs homologues de la matière ordinaire, mais ont la même masse et sont similaires à tous autres égards. Les scientifiques suggèrent qu’il pourrait exister des galaxies entières constituées d’antimatière. Il existe également une opinion selon laquelle il pourrait y avoir encore plus d'antimatière dans l'Univers que de matière ordinaire. Mais il est impossible de voir l’antimatière, tout comme les objets du monde ordinaire qui nous entourent. Ce n’est pas visible à la vision humaine.
La plupart des astronomes conviennent toujours qu'il n'y a pas beaucoup ou pas d'antimatière dans la nature, sinon, comme ils le raisonnent, il y aurait de nombreux endroits dans l'Univers où la matière ordinaire et l'antimatière entreraient en collision, ce qui serait accompagné d'un puissant flux de rayonnement gamma. rayons provoqués par leur annihilation. L'annihilation est la destruction mutuelle de particules de matière et d'antimatière, accompagnée de la libération d'énergie. Cependant, aucune région de ce type n’a été trouvée.
L'une des hypothèses possibles pour l'émergence de l'antimatière est associée à la théorie du big bang. Cette théorie prétend que tous les nôtres sont nés de l’expansion d’un certain point de l’espace. Après l’explosion, des quantités égales de matière et d’antimatière ont émergé. Le processus de leur destruction mutuelle commença immédiatement. Cependant, pour une raison quelconque, il y avait un peu plus de matière, ce qui a permis à l'Univers de se former sous la forme qui nous est familière.
En raison du manque de possibilité d'étudier les propriétés de l'antimatière en , les scientifiques ont recours à des méthodes artificielles pour la formation d'antimatière. Pour l'obtenir, des dispositifs scientifiques spéciaux sont utilisés : des accélérateurs de particules, dans lesquels les atomes de matière sont accélérés à environ la vitesse de la lumière (300 000 km/s). Lorsque certaines particules entrent en collision, elles sont détruites, entraînant la formation d’antiparticules à partir desquelles l’antimatière peut être obtenue. Un problème difficile est celui du stockage de l’antimatière, car au contact de la matière ordinaire, l’antimatière est détruite. Pour ce faire, les grains d'antimatière obtenus sont placés sous vide et sous vide, ce qui les maintient en suspension et évite qu'ils touchent les parois de l'installation de stockage.
Malgré la difficulté d’obtenir et d’étudier l’antimatière, elle peut apporter de nombreux avantages à nos vies. Tous reposent sur le fait que lorsque l’antimatière interagit avec la matière, une énorme quantité d’énergie est libérée. De plus, le rapport entre l’énergie libérée et la masse de la substance impliquée n’est dépassé par aucun type d’explosif. Il n’y a aucun sous-produit de l’annihilation, juste de l’énergie pure. Les scientifiques rêvent donc déjà de son utilisation. Par exemple, à propos de l'antimatière dont la ressource est infinie. Les vaisseaux spatiaux équipés de moteurs d’annihilation pourront parcourir des milliers d’années-lumière à une vitesse proche de celle de la lumière. Cela donnera à l’armée la possibilité de créer une puissance énorme, bien plus destructrice que l’atome ou l’hydrogène. Cependant, tous ces rêves ne se réaliseront que lorsque nous pourrons produire de l’antimatière à moindre coût à l’échelle industrielle.
Presque tout ce que nous détectons sur Terre et à l’aide de satellites artificiels est de la matière. L'antimatière est produite sur Terre à l'aide d'accélérateurs à haute énergie. Par exemple, des antiprotons, des noyaux d'antideutéron et d'antihélium et des antiatomes ont été obtenus.
L'observation directe de l'antimatière est impossible à l'aide de méthodes astronomiques, car les photons produits par l'interaction de particules d'antimatière entre elles ne se distinguent pas des photons produits par l'interaction de particules de matière. La raison en est que le photon est une particule véritablement neutre. En principe, la matière peut être distinguée de l’antimatière en observant les neutrinos ν et les antineutrinos, mais de telles observations sont actuellement irréalistes.
S'il existait des régions dans l'environnement immédiat de la Terre dans lesquelles dominait l'antimatière, cela devrait se manifester sous la forme de quanta γ d'annihilation, qui se forment lors de l'annihilation de la matière et de l'antimatière. Les rayons cosmiques constituent un argument important en faveur de la prédominance de la matière sur l’antimatière. Ce sont des particules de matière – des protons, des électrons, des noyaux atomiques constitués de protons et de neutrons.
La formation de particules d'antimatière est observée à la suite de l'interaction de particules de rayonnement cosmique à haute énergie avec l'atmosphère terrestre. Les antiparticules se forment dans les zones à concentration énergétique accrue. Par exemple, la formation d’antiparticules se produit dans les noyaux des galaxies actives. En règle générale, dans de tels cas, des particules d'antimatière apparaissent avec des particules de matière. À l’étape suivante, se produisent la formation et l’annihilation des particules de matière et d’antimatière. Par exemple, un photon d’énergie supérieure à 1 MeV peut former une paire électron-positon dans le champ d’un noyau atomique. Le positron résultant s’annihile lorsqu’il rencontre un électron, formant plus souvent 2 et moins souvent 3 quanta γ.
Le problème de l'existence de l'antimatière dans l'Univers est un problème fondamental en physique, associé au problème de la formation et du développement de l'Univers.
Il existe diverses hypothèses expliquant pourquoi l’Univers observable est presque entièrement constitué de matière. Existe-t-il des zones de l’Univers où l’antimatière prédomine ? L’antimatière peut-elle être utilisée ? La raison de l’apparente asymétrie de la matière et de l’antimatière dans l’Univers visible est l’un des plus grands mystères non résolus de la physique moderne. Le processus par lequel se produit cette asymétrie entre particules et antiparticules est appelé baryogenèse.
Jusque dans les années 50 du 20e siècle, l’opinion dominante était qu’il y avait une quantité égale de matière et d’antimatière dans l’Univers. Cependant, au milieu des années 60, des travaux dans le domaine de la théorie du Big Bang ont ébranlé ce point de vue. En effet, si dans les premiers instants de l'existence d'un Univers chaud et dense le nombre de particules et d'antiparticules était le même, alors leur annihilation conduirait au fait que seul le rayonnement resterait dans l'Univers. Actuellement, la plupart des physiciens s'accordent à dire qu'en raison de la violation de la symétrie CP dans l'Univers, dans les premiers instants de l'évolution, un peu plus de particules se sont formées que d'antiparticules - environ une particule pour 10 9 paires particule-antiparticule. En conséquence, après l’annihilation, il restait un petit nombre de particules.
Une autre possibilité pour expliquer la domination de la matière dans l’Univers « proche » est de supposer que l’antimatière est concentrée dans des régions lointaines et peu explorées de l’Univers. En 1979, Floyd Stecker a proposé que l'asymétrie entre la matière et l'antimatière aurait pu apparaître spontanément dans les premiers instants après le Big Bang, lorsque la matière et l'antimatière se sont séparées dans des directions différentes.
Étant donné que le rayonnement électromagnétique interagit de la même manière avec la matière et l’antimatière, les planètes, les étoiles et les galaxies de matière et d’antimatière semblent identiques dans le rayonnement électromagnétique. Par conséquent, d’autres méthodes de recherche d’antimatière dans l’Univers sont nécessaires. L’une de ces méthodes est l’observation d’antinucléaires dans l’espace. Il devrait s'agir d'antinoyaux avec un nombre de masse A > 4. Si nous pouvions détecter des noyaux d'antihélium à proximité de la Terre, nous recevrions des preuves assez solides en faveur de l'existence de régions à teneur accrue en antimatière dans l'Univers.
Pourquoi devrions-nous rechercher des noyaux d’antihélium ou des noyaux plus lourds pour rechercher de l’antimatière ? Le fait est que des antiprotons peuvent se former lors de l’interaction de protons ultrarelativistes ou d’autres noyaux de rayons cosmiques. Le spectre d'énergie de ces antiprotons (généralement appelés secondaires) devrait présenter un large maximum de l'ordre de 2 GeV. D’autres sources d’antiprotons, appelées primordiales, pourraient être l’annihilation d’hypothétiques particules supersymétriques dont est censée être constituée la matière noire, les neutralinos, et/ou l’évaporation de trous noirs « primaires ». L'annihilation par paires de neutralinos peut conduire à la naissance de jets quark-antiquark, suivis de leur hadronisation et de la formation d'antiprotons. Des trous noirs primordiaux auraient pu se former au tout début de l’Univers. De tels trous noirs d'une masse de 10 14-15 peuvent évaporer les particules de manière assez intensive (rayonnement de Hawking). La contribution de ces antiprotons primaires au spectre d'énergie enregistré peut être tentée d'être détectée dans la région des basses énergies.< 1 ГэВ.
Le flux d'antiprotons secondaires peut être estimé en fonction du modèle de Galaxie adopté. Il atteint un maximum à une énergie de ~10 GeV. Dans la région où les énergies peuvent atteindre plusieurs centaines de GeV, selon la nature du spectre, on peut espérer obtenir des informations sur la baryogenèse et/ou l'annihilation de particules supersymétriques et/ou de WIMP.
La formation d'antideutons sous l'influence des rayons cosmiques est beaucoup moins probable. Le spectre des antideutons secondaires devrait être déplacé vers des énergies plus élevées que le spectre des antiprotons secondaires et devrait rapidement diminuer avec la diminution de l'énergie. Pour les antideutons primordiaux formés lors de l'annihilation de particules de matière noire et/ou de l'évaporation de trous noirs primordiaux, le spectre maximum est attendu à l'énergie< 1 ГэВ.
Таким образом, области первичных и вторичных антидейтронов должны быть хорошо
разделены.
La probabilité de formation de noyaux d’antihélium sous l’influence des rayons cosmiques est extrêmement faible. En effet, pour que cela se produise, deux antiprotons et deux antineutrons doivent se former au même endroit et presque simultanément, et leurs vitesses relatives doivent être faibles. En 1997, Pascal Chardonnet évaluait la probabilité d'un tel événement. Selon ses estimations, un noyau d'antihélium peut être formé pour 10 15 protons de rayons cosmiques ultrarelativistes. Le temps d'attente moyen pour un tel événement est de 15 milliards d'années, ce qui est comparable à l'âge de l'Univers.
Si dans l'Univers, à un stade précoce de l'évolution, des régions de l'espace se formaient effectivement dans lesquelles prédominaient la matière ou l'antimatière, alors elles devraient se séparer, car A la limite de ces régions, une légère pression se forme, qui sépare matière et antimatière. À la frontière entre les régions de matière et d’antimatière, une annihilation devrait se produire et des quanta gamma d’annihilation devraient être émis en conséquence. Cependant, les télescopes gamma modernes ne détectent pas ce type de rayonnement. Des estimations ont été faites sur la base de la sensibilité des télescopes. Selon eux, les régions d’antimatière ne peuvent pas être à moins de 65 millions d’années-lumière. Ainsi, de telles zones n'existent pas non seulement dans notre galaxie, mais aussi dans notre amas de galaxies, qui comprend, outre la Voie Lactée, 50 autres galaxies.
La détection des noyaux d’antihélium formés à de telles distances est un problème difficile. Il n'est pas si facile pour un noyau d'antihélium de voler sur une si longue distance jusqu'à un détecteur et d'être enregistré. Il peut notamment s'emmêler dans les champs magnétiques galactiques et intergalactiques et ainsi ne jamais s'éloigner du lieu de sa formation. De plus, l’antihélium sera constamment en danger d’anéantissement. Et enfin, le détecteur n’est pas une cible trop grande pour être facilement touchée à une distance aussi gigantesque. Par conséquent, l’efficacité de détection des noyaux d’antihélium est extrêmement faible.
Dans les conditions du « voyage » de l'antihélium, il existe beaucoup d'incertitudes, ce qui ne permet pas d'estimer la probabilité de détecter des noyaux. Il est toujours possible que si le détecteur avait été un peu plus sensible, la découverte aurait eu lieu.
Il est clair que le temps de « voyage » d’un antinoyau de basse énergie pourrait être inférieur à la durée de vie de l’Univers. Il est donc nécessaire de rechercher des antinoyaux à haute énergie. De plus, ces noyaux ont de meilleures chances de vaincre le vent cosmique galactique.
Quant aux positrons et antiprotons, ils peuvent également être émis par d’hypothétiques régions d’antimatière et contribuer aux spectres mesurés près de la Terre. Comparés aux antiprotons, les positrons sont plus difficiles à détecter. Cela est dû au fait que les flux de protons, qui sont à l'origine du bruit de fond, sont 10 3 supérieurs aux flux de positrons. Les signaux provenant de positrons provenant de régions d’antimatière peuvent être « avalés » par des signaux provenant de positrons résultant d’autres processus. Par ailleurs, l’origine des positrons dans les rayons cosmiques n’est pas non plus entièrement connue. Existe-t-il des positons primordiaux dans les rayons cosmiques ? Existe-t-il un lien entre un excès d’antiprotons et de positrons ? Pour clarifier la situation, il est nécessaire de mesurer des spectres de positons dans une large gamme d’énergie.
Le premier lancement d'un instrument d'étude des rayons cosmiques dans la haute atmosphère à l'aide d'un ballon a été réalisé en 1907 par Victor Hess. Jusqu’au début des années 1950, l’étude des rayons cosmiques fut à l’origine des découvertes les plus importantes en physique des particules. Depuis 1979, des antiprotons ont été observés dans de telles expériences (Bogomolov, E. A. et al. 1979, Proc. 16th Int. Cosmic Ray Conf. (Kyoto), vol. 1, p. 330 ; Golden, R. L. et al. 1979, Phys. Rév. Lett., 43, 1196). Ils ont ouvert de nouvelles possibilités dans l’étude de l’antimatière et de la matière noire. La recherche moderne sur les rayons cosmiques utilise des techniques développées pour les expériences avec des accélérateurs.
Jusqu'à récemment, presque toutes les informations sur les antiparticules contenues dans les rayons cosmiques étaient obtenues à l'aide de détecteurs lancés dans la haute atmosphère à bord de ballons. Dans le même temps, on a soupçonné qu'il y avait plus d'antiprotons que prévu d'après les estimations de la probabilité de leur apparition en raison de l'interaction des rayons cosmiques avec le milieu interstellaire (antiprotons secondaires). Les mécanismes proposés pour expliquer l’« excès » d’antiprotons ont donné différentes prédictions pour les spectres énergétiques des antiprotons. Cependant, le temps de vol court du ballon et la présence de restes de l'atmosphère terrestre limitaient les possibilités de ce type d'expérience. Les données présentaient une grande incertitude et, de plus, l'énergie ne dépassait pas 20 GeV.
Pour enregistrer les antiparticules, on utilise de gros ballons (jusqu'à 3 millions de mètres cubes), capables de soulever des détecteurs lourds pesant jusqu'à 3 tonnes à une hauteur d'environ 40 km. En règle générale, comme les Montgolfiers, ils sont ouverts au fond et perdent. hélium lorsque la température extérieure baisse. Dans la plupart des cas, la durée du vol ne dépasse pas 24 heures. De plus, les températures atmosphériques, après avoir rapidement diminué de zéro à 20-25 km, commencent à augmenter, atteignant un maximum à une altitude d'environ 40 km, après quoi elles recommencent à diminuer. Étant donné que le volume du ballon diminue lorsque la température de l’air extérieur diminue, la hauteur de levage maximale ne peut pas dépasser environ 40 km. A cette altitude, l'atmosphère est encore assez dense, et le flux d'antiprotons d'énergies de plusieurs dizaines de GeV, formés lors de l'interaction des rayons cosmiques primaires avec l'atmosphère résiduelle, dépasse le flux d'antiprotons produits dans le milieu galactique. Pour des énergies plus élevées des particules détectées, les erreurs deviennent trop importantes pour obtenir des résultats fiables.
Récemment, des vols plus longs (jusqu'à 20 jours) ont commencé à être effectués. Ils utilisent également des ballons ouverts, mais les pertes d'hélium ont été considérablement réduites du fait que les ballons ont été lancés à de très hautes latitudes, près des pôles, pendant la journée polaire. Cependant, la masse de leur charge utile lorsqu'ils volent à une altitude de 40 km ne dépasse pas 1 tonne, ce qui est trop petit pour mesurer les flux d'antimatière à hautes énergies. Pour mettre en œuvre des vols en ballon extra-longs (environ 100 jours), il est prévu d'utiliser des ballons fermés. Ils sont plus épais et plus lourds, ne perdent pas d’hélium et peuvent résister aux différences de pression entre l’intérieur et l’extérieur. Ils peuvent soulever des outils relativement légers, moins d’une tonne.
Riz. 20.1. Lancement d'un ballon avec équipement physique.
Riz. 20.2. Détecteur de rayonnement cosmique BESS-Polar II. Spectromètre (1) avec panneaux solaires (2).
La recherche de l'antihélium à l'aide de spectromètres sur ballons a été réalisée dans le cadre de l'expérience BESS (B alloon-borne E expérimenter avec S surconduction S spectromètre) (Fig. 20.2). De 1993 à 2000, des spectromètres BESS ont été lancés à plusieurs reprises dans la haute atmosphère du nord du Canada. La durée du vol était d'environ une journée. Le spectromètre a été constamment amélioré et la sensibilité a augmenté. La sensibilité totale pour le rapport hélium/antihélium obtenu dans cette série de vols est d'environ 6,8 × 10 −7 dans la plage de dureté 1-14 GV. Dans l'expérience BESS-TeV (2001), la plage de dureté du spectromètre a été augmentée à 500 GV et une sensibilité de 1,4×10 −4 a été atteinte. Augmenter les statistiques en 2004-2008. des vols de plusieurs jours avec des spectromètres avancés (0,6-20 GV) ont été effectués en Antarctique. En 2004-2005, lors du vol BESS-Polar I, qui a duré 8,5 jours, une sensibilité de 8 × 10 −6 a été atteinte. En 2007-2008 Lors du vol BESS-Polar II (durée de mesure 24,5 jours), une sensibilité de 9,8×10 −8 a été atteinte. La sensibilité totale, prenant en compte tous les vols BESS, atteint une valeur de 6,7×10 −8. Aucun noyau d'antihélium n'a été trouvé.
Le spectromètre magnétique utilisé lors du vol BESS-Polar II se compose d'un aimant solénoïdal supraconducteur à parois ultra fines, d'un tracker central (JET/IDC), d'un hodoscope de temps de vol (TOF) et d'un détecteur Cherenkov ( 20.3).
Riz. 20.3. Vue en coupe du spectromètre de l'expérience BESS-Polar II.
L'hodoscope à temps de vol permet de mesurer la vitesse (β) et la perte d'énergie (dE/dx). Il est constitué d'un compteur à scintillation supérieur et inférieur en plastique composé de 10 et 12 bandes de scintillation (100×950×10 mm). La résolution temporelle du système de temps de vol est d'environ 70 ps. De plus, il existe un troisième compteur à scintillation (Middle-TOF), situé à l'intérieur du solénoïde et composé de 64 tiges scintillatrices en plastique. Il permet d'abaisser le seuil énergétique d'enregistrement, dû aux particules qui ne sont pas capables de voler à travers la partie inférieure du solénoïde.
Les chambres à dérive sont situées dans un champ magnétique uniforme. A l'aide de 28 points, chacun avec une précision de 200 µm, on calcule la courbure de la trajectoire d'une particule entrant dans le spectromètre, ce qui permet de déterminer sa rigidité magnétique R = pc/Ze et le signe de la charge.
Un compteur Cherenkov à air-hélium vous permet de séparer les signaux des antiprotons et des antideutons du fond e - /μ - .
Riz. 20.4. Identification des particules dans l'installation BESS.
Les particules sont identifiées par leur masse (Fig. 20.4), qui est liée à la rigidité R, à la vitesse des particules β et à la perte d'énergie dE/dx mesurée à l'aide de compteurs de temps de vol et de chambres à dérive.
A cet effet, les régions correspondantes sont identifiées sur les distributions bidimensionnelles dE/dx – |R| et β -1 – R.
La ceinture terrestre de rayonnement antiproton
La collaboration PAMELA a découvert une ceinture de radiations autour de la Terre dans la région de l'anomalie de l'Atlantique Sud. Les spectres des antiprotons et des protons ont été mesurés directement dans la ceinture de rayonnement et à l'extérieur de la ceinture de rayonnement (Fig. 20.5, 20.6).
Il est démontré que les antiprotons enregistrés par les installations de détection installées sur les cylindres et les satellites sont d'origine secondaire. Ils se forment à la suite de l'interaction des rayons cosmiques galactiques avec la matière ou l'atmosphère interstellaire dans la réaction pp → ppp. Cependant, une contribution beaucoup plus importante provient de la désintégration des antineutrons de l'albédo (antineutrons dont le flux est dirigé depuis la Terre) résultant de la réaction.
pp → ppn .
Ces antineutrons traversent le champ géomagnétique et se désintègrent pour former des antiprotons → + e + + ν e. Certains des antiprotons résultants peuvent être capturés par la magnétosphère, formant ainsi une ceinture de rayonnement d'antiprotons. Tout comme la principale source de la ceinture de rayonnement protonique est la désintégration des neutrons de l’albédo, la désintégration des antineutrons conduit à la formation d’une ceinture d’antiprotons.
D'après les données expérimentales, il s'ensuit que la densité d'antiprotons dans la ceinture de rayonnement est de 3 à 4 ordres de grandeur supérieure à la densité d'antiprotons à l'extérieur de la ceinture de rayonnement. La forme du spectre des antiprotons formés directement à la suite de l'interaction des rayons cosmiques galactiques coïncide pratiquement avec la forme du spectre des antiprotons en dehors de la ceinture de rayonnement des antiprotons.
Le problème de la détection de l’antimatière dans l’Univers est loin d’être résolu. Une recherche active d'antimatière est prévue dans les programmes de télescopes spatiaux de Fermi et d'autres.
