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L'antimatière

L'antimatière est constituée d'antiparticules: antiquarks, anti-électrons, antineutrinos.
Nous avons vu précédemment que toutes les particules sont caractérisées par des propriétés quantifiées par des nombres quantiques: Par exemple la charge électrique Q et le nombre de spin J, mais aussi d'autres grandeurs aux noms aussi ésotériques que le nombre baryonique B, le nombre leptonique L, l'isospin T, l'étrangeté S, l'hypercharge Y ou le charme C!

C'est en 1927 que Paul Dirac imagina (comme solutions mathématiques à une équation qui porte son nom) l'existence d'antiparticules. En 1932, l'américain Carl Anderson détecta quelques anti-électrons (baptisés positrons car de charge Q positive) parmi les particules produites par l'impact du rayonnement cosmique sur l'atmosphère.
 

On appelle rayonnement cosmique un flux de particules (électrons, protons, ions) très rapides et donc très énergétiques qui provient de l'espace profond. Ces flux ont pour origine de très lointaines supernovae. Une supernova est une étoile massive qui termine sa vie en une gigantesque explosion qui émet en quelques semaines une lumière aussi puissante qu'une galaxie contenant plusieurs milliards d'étoiles. Une telle explosion crée une onde de choc dans le milieu interstellaire (rempli de gaz et de champ magnétique), et joue donc le rôle d'accélérateur naturel de particules chargées électriquement. L'analyse de ce rayonnement cosmique en altitude a été longtemps pour les physiciens le seul moyen pour étudier et découvrir de nouvelles particules. Il fallut attendre les années 1950 pour reproduire ce type de rayonnement très énergétique dans les accélérateurs.

Revenons-en aux antiparticules:
 

• L'antiproton a la même masse que le proton, mais il a une charge Q négative.
• L'antineutron a la même charge Q nulle que le neutron, mais le nombre baryonique de l'antineutron est -1 alors que celui du neutron vaut +1!
• L'anti-électron ou positron a une charge Q positive.

• Les antiquarks u et d sont notés (une barre est placée sur le nom des particules)

Ainsi à chaque particule correspond une anti-particule symétrique.
Ces antiparticules peuvent s'assembler; ainsi le 4 janvier 1996, Le CERN de Genève annonçait la fabrication de neuf atomes d'antihydrogène.
 

l'annihilation

Si une particule rencontre son antiparticule, leurs deux masses se convertissent intégralement en énergie (de type rayons gamma): c'est le phénomène de l'annihilation que les physiciens peuvent reproduire dans les collisionneurs.
Il s'agit d'ailleurs du seul phénomène où toute une masse est transformée totalement en énergie selon la célèbre formule d'Einstein E=mc². Cette énergie colossale dégagée par une telle rencontre particule-antiparticule peut rapidement se retransformer en d'autres particules massives: c'est le phénomène inverse de matérialisation de l'énergie.
Cela explique pourquoi il n'y a pas d'antimatière dans notre environnement de matière: toute trace d'antimatière serait annihilée au moindre contact de notre monde. Il semble bien d'ailleurs que notre Univers tout entier ne soit composé que de matière.

Pourquoi l'Univers a-t-il opté pour une seule forme de matière? la question n'est pas entièrement résolue à l'heure actuelle.
Les astrophysiciens supposent que 10^-32 secondes après le Big Bang, l'univers entier n'était qu'un mélange symétrique (à 10²⁶ degrés) de quarks, de neutrinos et d'électrons et de leurs antiparticules respectives. Il en résultait une suite ininterrompue d'annihilation et de matérialisation baignant dans un bain de photons à très haute énergie. Auncune matière n'aurait donc dû émerger de ce chaos infernal si une symétrie parfaite avait été respectée  entre matière et antimatière. Or une quantité infime de matière a survécu à l'annihilation totale; une particule de matière pour un milliard de couple particule-antiparticule annihilée!
Cette dissymétrie, heureuse pour nous, n'a été possible que grâce à la "brisure de symétrie CP" découverte en 1967 par Andreï Sakharov, le père de la bombe H soviétique.
 

La symétrie CP:

• C pour conjugaison de charge: propriété de symétrie mathématique qui transforme la charge Q d'une particule. En appliquant la symétrie C à un électron de charge -1, on obtient un anti-électron de charge +1.

        

• P pour parité: symétrie mirroir qui intervertit la droite et la gauche. En appliquant cette symétrie, on change par exemple le spin des particules.

          

La conjugaison de C et P donne la symétrie CP: les particules qui changent, après interaction, leurs nombres quantiques conformément à la symétrie C et P devraient pouvoir le faire dans les deux sens. Or justement cette symétrie CP n'est pas respectée; ce qui équivaut à dire que matière et antimatière n'ont pas exactement le même comportement!
Pour être plus exact, cette symétrie CP est violée par une des 4 forces de l'univers, la plus mystérieuse appelée interaction faible.
 

Comment imaginer un nucléon? (par Etienne Klein)
 
 

Au centre de l'atome, au sein du noyau, on devine une sarabande de protons et neutrons. Collés ensemble par des forces puissantes, ils s'agitent violemment en tous sens. Dans chaque proton, dans chaque neutron, une autre danse : trois quarks, toujours trois, agités d'un mouvement formidablement rapide. Au cours de chocs d'une violence terrible, il arrive que l'énergie de ces quarks se transforme en matière; une paire de particules nouvelles jaillit alors : un quark et un antiquark. A l'inverse, quand un quark et un antiquark se rencontrent, ils se détruisent mutuellement et se transforment en énergie. Et ainsi de suite: quarks et antiquarks apparaissent, se rencontrent, disparaissent au cours de fugitives catastrophes qui se répètent incessamment. Curieusement, un certain ordre règne dans ce chaos frémissant : en effet, il y a toujours, en chaque proton, trois quarks de plus que d'antiquarks.

Les autres familles de fermions

Notre tableau des 4 fermions + 4 antifermions est-il complet?
Pas encore...

Il existe en fait deux autres familles de fermions analogue à notre famille u-d-électron-neutrino:
 
 

• La famille 1 suffirait à décrire notre monde courant. Mais à partir des années 1940, on découvrit deux autres familles de particules correspondant à des particules de plus en plus lourdes.
• Les familles 2 et 3 contiennent des particules de plus en plus massives qui n'existaient dans l'univers qu'au tout début de celui-ci, lorsque la densité et la température étaient telles que ces particules pouvaient se matérialiser à partir de densité d'énergie suffisante.

Chaque lepton est associé à un neutrino spécifique.
Les quarks ont été baptisés de nom poétiques qui correspondent à leur "saveur". Rien à voir avec le goût, mais les 6 saveurs des quarks caractérisent l'influence de l'interaction faible sur eux.
 

Famille 2:

• Muon: découvert en 1937 par Anderson dans les rayons cosmiques. C'est une sorte d'électron en 200 fois plus massif.
• Quark s ou étrange en français: 20 fois plus lourd que le quark d
• Quark c ou charmé en français: découvert en 1975. 375 fois plus lourd que le quark u

Famille 3:

• Tau: découvert en 1976. 3500 fois plus lourd que l'électron ou deux fois plus que le proton.
• Quark b pour bottom ou parfois beauté: découvert en 1977. 5 fois plus lourd que le proton.
• Quark t pour top: découvert en 1994 au Fermilab. 170 fois plus lourd que le proton! C'est la particule élémentaire la plus massive connue à ce jour; elle est aussi lourde qu'un atome entier d'Or.

Que faut-il encore pour expliquer la matière?

Il nous manque encore une famille fondamentale de particules: les bosons dont fait partie le photon, grain quantique de lumière. Les bosons sont des particules très spéciales qui ne respectent pas le principe d'exclusion de Pauli. Les bosons peuvent se superposer dans le même état quantique contrairement aux fermions qui sont individualisés dans l'espace.
Ces bosons sont de plus les particules médiatrices des 4 forces fondamentales de l'univers: les interactions sans lesquelles nos particules de matière ne pourraient pas se liées entre elles.

Une fois définies ces 4 interactions fondamentales, nous aurons enfin tous les éléments qui constituent la théorie actuelle du Modèle Standard: cette théorie qui explique tous les phénomènes observables à l'échelle des particules...

crazyflash:Elémentaire mon cher quark!

Les ultimes particules élémentaires sont des snobinardes délurées:  En effet, les quarks, ont le COU ARQUé; de ce fait, ils paraissent très hUPpés et suivent de près l'indice DOWN-Jones. Ils adorent se réunir par trois pour aller écluser un gorgeon dans les bar(yons), ou alors c'est par couple qu'ils vont s'isoler dans les mésons closes. Les archéophysiciens ont retrouvé les ancètres fossiles des quarks: des dinoquarks de taille énorme et d'une beauté étrange digne de top-modèle charmant. Vu leur croissance démesurés, Ils auraient même déclaré: "Nous muons trop tau!" Trois autres espéces, très difficiles à observer, sont les neutres rhinos. Les physiciens en safari-photon ont beaucoup de mal à les attraper. D'ailleurs il est très connu que le neutre rhino c'est rosse! Toutes ces particules ont une hANTIse. Leur image dans un mirroir les terrorise et toucher leur double les annihilerait. Cela incite evidemment à l'antireflexion.