Mise à jour 20 Octobre 2015

CONFÉRENCE MENSUELLE DE LA SAF
 «MAIS OÙ EST DONC PASSÉE L’ANTIMATIÈRE ?»

Par Marie Hélène SCHUNE
Dr de recherche CNRS (IN2P3)  Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire (LAL)

Responsable LAL de l’expérience LHCb du CERN

À l’AgroParisTech 16 rue C Bernard Paris 5.

Le Mercredi 14 Octobre 2015 à 19H00  Amphi Tisserand

 

Photos : JPM pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)

Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur.  Voir les crédits des autres photos et des animations.

Le conférencier a eu la gentillesse de nous donner sa présentation, elle est disponible sur ma liaison ftp et s'appelle :

LHCb_Antimatiere-SAF.pdf, elle est dans le dossier CONF-MENSUELLES-SAF/ saison 2015-2016. .

Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.

 

Cette conférence a été filmée en vidéo (grâce à UNICNAM et IDF TV) et est accessible sur Internet

On la trouve à cette adresse   disponible dans quelques jours

 

 

Encore une salle bien remplie !

 

 

 

Marie Hélène Schune est physicienne, Directrice de recherche CNRS et après avoir travaillé au LEP (ancêtre du LHC) et sur l’expérience BaBar au SLAC (Stanford Linear Accelerator Cenyter) à Stanford en Californie, est maintenant en poste à Orsay au LAL qu’elle représente à l’expérience LHCb du CERN à Genève.

 

INTRODUCTION.

On imagine qu'à l'origine, il y avait autant de matière que d'antimatière. Où est elle donc? En fait, pourquoi ne reste-il que de la matière ?

Ç’est une bonne question et on n’est pas sûr d’avoir la réponse

On pense que la quantité de matière créée a été légèrement supérieure (1/1milliard) à son anti, ce qui a mis un terme rapidement à presque toute l’antimatière. C’est un des grands problèmes de la cosmologie actuelle

La violation CP (Charge/Parité) pour certaines désintégrations joue un rôle certain. C'est l'objet des recherches actuelles au CERN avec l'expérience LHCb De plus, le rôle des neutrinos dans l’antimatière semble aussi très important, on ne sait même pas si ils sont leurs propres antiparticules.

 

 

 

 

 

 

 

La matière (les atomes) est composée de Fermions, et parmi les fermions existent :

·         les Leptons (électron, muon..) sensibles uniquement à la force faible (radioactivité béta) et

·         les Hadrons (proton, méson..) comprenant des quarks et sensibles uniquement à la force forte (colle des noyaux).

Dans ce tableau, seule la première famille de particules correspond à la matière ordinaire.

 

 

 

 

 

 

 

 

Évidement chaque particule de matière a son équivalent en antimatière, son antiparticule, sauf le photon qui est sa propre antiparticule car sans masse.

Une antiparticule a :

·         la même masse

·         la même durée de vie

·         même spin (moment angulaire)

·         la charge opposée

de la particule.

 

Lorsque matière et antimatière se rencontrent : dégagement d’une énergie énorme.

 

 

 

On sait qu’au moment du Big Bang il devait y avoir autant de matière que d’antimatière (cette importante source d’énergie à créé ces deux mondes), mais on constate que maintenant nous ne sommes qu’en présence de matière, même plus loin il ne peut pas exister de galaxies d’antimatière, sinon tout ce qui serait dans son voisinage s’annihilerait. Alors où est l’antimatière ?

 

 

L’HISTORIQUE DE L’ANTIMATIÈRE.

 

C'est le physicien britannique Paul Dirac, qui le premier a introduit une particule fantôme en 1930, l'antiélectron (positron) afin de respecter une symétrie dans ses équations. Tout comme l’équation x2 = 4 peut avoir deux solutions (x = 2 ou x = -2), l’équation de Dirac était vérifiée pour deux valeurs : un électron d’énergie positive et un électron d’énergie négative.

 

Dirac en déduisit que chaque particule de matière possèdait son anti dans le monde de l'antimatière, elle lui est semblable mais possède une charge électrique opposée.

 

À l’époque de Dirac, cette antiparticule (positron) n’était pas découverte, cela ne viendra qu’un peu plus tard par Anderson en 1932 à l’aide d’une chambre à brouillard.

 

Ces anti électrons étaient produits par des collisions de rayons cosmiques au niveau de notre atmosphère.

Une particule chargée, comme un électron, laissait une trace de gouttelettes d’eau (en rouge) dépendant de sa charge et du champ magnétique appliqué. Certaines particules avaient une trajectoire courbée (en vert) en sens inverse, donc une charge opposée. On calcule sa masse, elle est bien plus faible qu’un proton, c’est le positron.

 

Photo: C.D. Anderson, Physical Review 43, 491 (1933)

 

 

 

 

Particules et anti particules s’annihilent dans une grande explosion quand elles rentrent en contact. (Formule d’Einstein)

 

En ce qui concerne les électrons et les positrons ils s’annihilent en émettant deux photons de 511 keV chacun.

 

Donc on aura un problème de stockage si on arrive à fabriquer de l’antimatière !

 

 

Sur Terre il y a une autre source d’antimatière autre que les cosmiques ; la radioactivité béta.

 

Ce sont les noyaux qui ont un excédent de neutrons (béta -), alors un des neutrons se transforme en proton,
en fait un quark down devient up (on change donc de corps chimique) et en émettant un électron et un anti neutrino.
Même principe en radioactivité béta +, un proton se transforme en neutron un positron et un neutrino.

 

 

 

L’expérience AMS-02.

 

Certains pensent qu'il existerait des galaxies très lointaines (elles ne peuvent pas être proches, sinon on les détecterait, de par leur émission X due au contact avec de la matière) faites d'antimatière.

Mais il n'est pas facile de distinguer, rien qu'en l'observant, une galaxie d'antimatière d'une galaxie de matière, il faudrait pouvoir détecter des antiparticules ou des antinoyaux de matière, c'est le rôle de l'instrument AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) en fait un détecteur de rayons cosmiques un peu spécial

 

L'espace est plein de particules de haute énergie de différents types (les rayons cosmiques), et beaucoup, d'entre elles proviennent de l'explosion de Super Novæ situées dans des galaxies éloignées.

Les "anti-galaxies" émettraient des antiparticules, dont des antinoyaux d'Hélium que l'AMS devrait détecter.

Une telle détection signifierait qu'il existe des "anti" étoiles.

 

http://www.planetastronomy.com/astronews/astrn-2010/11/astron4.jpg

Il est mis au point par le célèbre MIT, et est installé sur une des poutres de l'ISS, comme on peut le voir sur cette figure.

C'est le physicien, prix Nobel 1976, Samuel Ting du MIT qui a conçu la sonde AMS, il la compare souvent à l'accélérateur du CERN, car ces deux dispositifs utilisent le même phénomène: un champ magnétique puissant pour dévier les particules et les détecter.

 

L’AMS au CERN avant son départ pour l’ESA pour les tests au vide spatial. (Cliché © CERN)

 

 

 

 

Il semble qu’après analyse de près de 40 milliards de particules (!) dont 10.00.000 positrons/électrons, on ait détecté un excès d’antimatière d’origine inconnue dans le flux de rayons cosmiques. Cet excès pourrait signifier la présence de matière noire qui n’avait jamais pu être directement mesurée. L’AMS continue à collecter des évènements au rythme de 1,4 milliard par mois !

 

Donc il semblerait que l’on soit sur la bonne voie.

 

 

 

Matière et antimatière qui était énormément dominantes au début de l’Univers, sont aujourd’hui réduites à la portion congrue :

·         il y a très peu de matière

·         pour ainsi dire pas d’antimatière

·         l’Univers est dominé par les photons (6 10-10 rapport entre baryons et photons

·         en fait nous ne devrions pas être là !!!

 

 

 

 

 

 

 

 

LES SYMÉTRIES DES PARTICULES.

 

Les physiciens définissent 3 symétries miroir CPT:  (définition extrait de IN2P3) :

 

      La parité P : il s’agit de la réflexion de l’espace autour d’un centre arbitraire. Si P est conservée, cela signifie que les lois de la physique microscopique ne font aucune différence entre la gauche et la droite, le haut et le bas, l’avant et l’arrière.

      La transformation particule-antiparticule : cette transformation change tout nombre quantique additif (par exemple la charge électrique C), en son opposé : ainsi, par C, un électron devient un positon et vice et versa.

      L’inversion du temps T : on renverse le sens du temps dans les équations. Supposons la symétrie T valable ; si un mouvement donné est permis par les lois de la physique, alors le mouvement en sens contraire l’est également.

 

 

 

L’Univers, sous certaines conditions, devrait être invariant sous la transformation CPT ; c’est à dire lorsque les particules d'une interaction sont remplacées par leur antiparticule (C), les directions de l'espace sont inversées (P), symétrie miroir ; et le temps est inversé (T).

 

On soupçonne la gravitation de violer la symétrie CPT.

 

La symétrie combinée CPT a été vérifiée dans de nombreuses expériences.

 

Étudier ces phénomènes est la nouvelle physique au-delà du modèle standard.

 

 

 

 

On en a déduit un axiome : les lois de la physique sont invariantes sous une transformation CPT.

 

 

Mais en 1956 on découvre la violation de la symétrie P pour les interactions faibles.

C’est la fameuse expérience de Mme Wu. Dans la désintégration beta du Co60, la parité P n’est pas conservée.

Énorme coup de tonnerre !

 

D’autres expériences, notamment celle de Lederman en 1957 ont montré que la symétrie C était aussi violée !

 

On en déduit donc que l’interaction faible viole la symétrie P et la symétrie C.

 

On peut alors se poser la question suivante : qu’en est-il de la symétrie CP (produit des deux symétries) ?

 

Si une telle symétrie était brisée, cela expliquerait la différence entre matière et antimatière, en effet, transformer l’une dans l’autre, implique de passer de la particule à l’antiparticule (C), mais aussi d’effectuer une symétrie miroir (P).

 

En 1964, on découvre que la symétrie CP n’est pas exactement respectée pour la désintégration d’une particule étrange, le méson K zéro ou Kaon neutre (dont particule et antiparticule ont la même masse), constitués de quarks d (down) et de quark s (strange)

 

Ils sont en fait de deux sortes, un méson à longue durée de vie (Kl) et un méson vivant des milliers de fois moins longtemps (Ks).

On s’est aperçu qu’il y avait une légère asymétrie dans la désintégration des Ks et Kl, et que CP était violée, de peu, mais violée quand même.

 

Beaucoup plus récemment, cette violation CP a aussi été détectée pour les mésons b (beaux !) neutres.

 

La question de l’origine de cette violation CP est un des problèmes les plus fondamentaux en physique.

 

 

 

Sakharov, voulant expliquer le mécanisme donnant naissance à ce qui a favorisé la matière par rapport à l’antimatière, a émis en 1967, trois conditions qui si elles sont satisfaites, impliquent qu’il y ait dissymétrie entre matière d’antimatière (au moment de la création des baryons, la baryogénèse) :

      Violation du nombre baryonique : c'est à dire que la quantité de matière qui est le nombre de quarks moins le nombre d'anti-quarks n'est pas conservée dans certaines réactions

      Violation C et CP : dissymétrie matière antimatière

      Présence d'un déséquilibre thermodynamique qui était certainement possible au moment du Big Bang.

 

 

 

Depuis de nombreuses années, des expériences sur tous les continents étudient la différence entre matière et antimatière, le CERN participe bien entendu à cette recherche avec l’expérience LHCb sur le LHC à Genève consacrée au quark b ou quark beauté.

 

 

L’EXPÉRIENCE LHCb AU CERN.

 

La collaboration LHCb vue dans sa caverne.
Photo CERN

Les instruments LHCb en surimpression sur la photo. Photo CERN et textes JPM

 

La collaboration LHCb regroupe environ 800 scientifiques venant de 54 instituts et universités et de 15 pays.

 

L’expérience LHCb fait partie des 4 grandes expériences du LHC avec Atlas, CMS et Alice.

 

Le « b » de LHCb vient du quark b (pour beauty, ancienne dénomination : bottom), source idéale de violations CP.

Le LHC en produit d’énormes quantités.

Lorsqu’ils se désintègrent, un hadron possédant un quark b et son antiparticule (avec un antiquark b), ont des comportements différents. On étudie les traces (la collaboration LHCb a mis au point des trajectographes mobiles perfectionnés) laissées par ces collisions qui donnent des informations sur les violations CP.

 

Les instruments (en partie pris sur doc CERN) :

 

Un détecteur sur mesure

Contrairement aux grands détecteurs polyvalents Atlas et CMS, LHCb est un outil spécialisé, destiné à réaliser la meilleure détection possible des particules « belles » (contenant un quark b) et de leurs produits de désintégration.

Ces particules étant émises, lors des collisions des faisceaux, préférentiellement dans des directions voisines du faisceau, le détecteur LHCb est spécialement conçu pour les observer à « petit angle ». Il est disposé autour du tube à vide de l’accélérateur, dans une seule direction par rapport au croisement des faisceaux. LHCb s’est doté d’un dispositif très performant capable de comparer la matière et l’antimatière avec une précision inégalée.

 

Un VELO près du faisceau

Les particules dites de « beauté » ont une durée de vie importante à l’échelle des particules : elles vont parcourir quelques millimètres avant de se désintégrer. L’expérience LHCb se distingue par sa capacité à reconstruire très précisément l’endroit où ces particules se désintègrent grâce à un détecteur appelé VELO (VErtex LOcator) installé au voisinage du point de collision. À 1,6 cm du faisceau, c’est le sous-détecteur le plus près des collisions de tout le LHC !

 

Des miroirs en carbone

Au LHC, les particules issues des collisions de protons ont une vitesse considérable.

Lorsqu’elles traversent un liquide ou un gaz dense, elles émettent de la lumière.

Les miroirs en carbone du RICH réfléchissent cette lumière vers des capteurs qui permettront d’identifier les particules.

 

Des contraintes sévères

Les différentes parties du détecteur sont conçues et réalisées dans les laboratoires de la collaboration. Les contraintes imposées par les conditions expérimentales au LHC sont sévères.

L’appareillage doit résister aux doses de radiations générées par les collisions de protons extrêmement énergétiques, le choix des matériaux est donc crucial.

L’ensemble des sous-détecteurs de LHCb participe à une logique de décision complexe qui, toutes les 25 nanosecondes, sélectionne les collisions intéressantes. Une ferme de microprocesseurs permet ensuite d’analyser toutes les informations du détecteur en temps réel, afin de reconnaître les événements intéressants sur des temps de réaction très courts.

 

 

Des défis énormes :

 

Taux de croisement des faisceaux du LHC : 40 MHz

·         taux 1.5 TB/seconde !

·         15 000 PB (1000 TB)/ an !!! (Facebook : 180 ) des milliards d’évènements !

·         la plupart des interactions ne nous intéressent pas et sont éliminées.

 

Écriture sur disque à un taux de 70 GB/s (décision en 30 ms)

 

L’analyse complète des données du premier cycle de mesures (le RUN 1) : on a effectivement détecté un écart par rapport au modèle standard.

 

 

 

LA NOUVELLE PHYSIQUE.

 

Les premiers résultats sont encourageants, on est sûr qu’il y a quelque chose au-delà du modèle standard.

 

La nouvelle physique est à inventer…

 

 

 

LES ASPECTS PRATIQUES DE L’ANTIMATIÈRE.

 

 

À part être le sujet de films (par exemple Anges et Démons), la physique basée sur l’antimatière est utilisée en médecine tous les jours avec le TEP (tomographe à émission de positrons)

Le TEP est un examen permettant d’observer l’activité cellulaire à l’intérieur du corps. On détecte les positrons émis par un produit radioactif injecté dans le circuit sanguin du patient. Grâce à cette technique on peut détecter des tumeurs malignes par exemple ou bien examiner la circulation du sang.

 

 

Une autre application en cours est la fabrication d’anti hydrogène et de l’utiliser pour voir comment la gravité agit sur l’antimatière.

 

Au CERN on produit (un peu) d’anti hydrogène que l’on arrive à confiner pendant approximativement 1000 secondes.

On peut ainsi mesurer ses propriétés, on a déjà confirmé qu’il avait la même masse que l’Hydrogène.

 

Une expérience est encours pour étudier l’interaction avec la gravité ; l'idée est de "faire tomber" de l'anti hydrogène qui, étant neutre, n'est pas perturbé par l'interaction électromagnétique beaucoup plus intense que la gravitation

Existe-t-il par exemple, une antigravité pour l’antimatière ??

 

C’est le but de l’expérience AEGIS (Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy) au CERN.

 

 

 

CONCLUSION.

 

 

 

·         L’antimatière existe !

·         L’antimatière est utilisée dans des expériences fondamentales et dans la vie de tous les jours

·         La production d’antimatière au CERN est infime, sa rencontre avec de la matière ne pourrait qu’allumer une ampoule électrique pendant quelques minutes.

·         L’Univers est dominé par la matière, due à des violations de symétrie CP

·         De nombreux programmes expérimentaux sont en cours pour suivre sa piste.

 

 

 

 

 

 

 

 

POUR ALLER PLUS LOIN :

 

Un autre tableau des particules élémentaires.

 

La physique à l'épreuve des symétries, article de MH Schune pour le magazine Pour la Science.

 

L’antimatière par le CERN.

 

Quelques notions sur la violation de CP, par le LHC, très clair et bien fait.

 

L’asymétrie matière-antimatière CR conf SAF de G Chardin.

 

Les expériences CMS et LHCb révèlent une désintégration rare

 

Recherche de Supersymétrie dans le cadre de l’expérience LHCb, rapport de stage au LPHE.

 

AEGIS utilise un faisceau d’antihydrogène pour mesurer l’effet de la gravitation terrestre sur l’antimatière

 

L’Antimatière Tombe-t-Elle ? Par le « site ça se passe là haut ».

 

La Violation CP par David London Université de Montréal

 

La violation de CP par l’IN2P3.

 

Zoom sur la violation de CP à l’occasion des résultats récents obtenus par les expériences BABAR et Belle

 

Violation directe de symétrie CP et asymétrie matière-antimatière par le CERN.

 

La violation de parité dans les interactions faibles

 

Antimatière : on va peut être la détecter grâce à l’AMS à bord de l’ISS. Dans cet ancien astronews.

 

L’antimatière questionne toujours le Big Bang, article de la Recherche.

 

Babar : sur la piste de l'antimatière, article de la Recherche.

 

AMS-02 antiprotons, at last! Secondary astrophysical component and immediate implications for Dark Matter

 

Marie Hélène Schune, LHC Collisions, épisode 14, une vidéo explicative de 5 minutes.

 

 

 

Prochaine conférence mensuelle de la SAF : Mercredi 18 Novembre 2015   19H00   AgroParistech   Amphi Tisserand

Nous avons le plaisir de recevoir :

Etienne Pariat Chargé de recherches CNRS   LESIA Observatoire de Paris   Pôle Soleil.

 

Où en sommes-nous de la prévision de l’activité solaire et de ses impacts sur la Terre ?

La mission Solar Orbiter.

 

Etienne Pariat :

« A l’heure où notre société se repose de plus en plus sur des technologies embarquées à bord de satellites artificiels, comprendre les risques naturels auxquels sont confrontés nos instruments spatiaux devient un enjeu grandissant.

L’activité solaire est une des composantes majeures affectant l’environnement spatial de la Terre, et est au cœur des préoccupations des prévisions de « météorologie de l’espace ». 

Il s’agît en premier lieu des éruptions solaires lors desquelles notre étoile émet des rayonnements intenses et éjecte violemment de la matière solaire vers l’espace interplanétaire.

Au cours de cet exposé, je présenterai un état des lieux de notre compréhension de l’activité solaire, du déclenchement des éruptions solaires et des vecteurs d’interaction du Soleil avec la Terre lors de ces évènements.

J’introduirai finalement la prochaine mission européenne d’étude des relations Soleil-Terre : Solar Orbiter. »

 

Entrée libre mais réservation obligatoire. À partir du 15 Octobre 2015..

 

 

 

Bon ciel à tous

 

 

Jean Pierre Martin   Président de la commission de cosmologie de la SAF

www.planetastronomy.com

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