Antimatière/Introduction

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L'antimatière est l'ensemble des antiparticules qui ont la même masse et le même spin que les particules de matière, mais avec des charges, des nombres baryoniques et des nombres leptoniques opposés. Par exemple, la matière comprend les protons positifs, et les électrons négatifs. Dans l'antimatière, on aura des antiprotons négatifs et des positons (ou positron ou antiélectrons) positifs.

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Positons, antiprotons et antineutrons

En 1928, Paul Dirac a décrit l’électron par une équation basée sur la mécanique quantique et sur la relativité ( « équation de Dirac » ) et pour expliquer ses résultats, il a proposé de considérer l'existence d'une nouvelle particule ( un « anti-électron » ou positon ) de même masse que l’électron mais de charge opposée.

En 1932, Carl David Anderson a détecté quelques traces sur ses photographies en étudiant les rayons cosmiques et ceci semblait correspondre à des particules proches des électrons, mais avec une charge positive.

Les antiprotons et les antineutrons ont été découverts dans les années 1950.

Le neutron n'a pas de charge électrique mais il existe un antineutron ( noté ${\bar {n}}$ ) qui a un nombre de charge baryonique égal à - 1. ( pour le neutron n la charge est + 1 ) En effet, le neutron est composé d'un quark up de charge +2/3 et de deux quarks down de charge -1/3. L'antineutron est composé des antiparticules de celles composant le neutron : un antiquark up de charge -2/3, et deux antiquarks down de charge +1/3.

Autres antiparticules

• Le photon $\gamma$ est sa propre antiparticule.

• Les quarks :

Les quarks sont les particules fondamentales qui interagissent fortement (soumis à l’interaction forte), portent des charges électriques fractionnaires, possèdent une charge faible et forment des doublets d’interaction faible.
On leur associe aussi une charge de couleur (3 couleurs possibles, ce sont des triplets) par laquelle ils subissent l’interaction forte. Ce sont des fermions qui obéissent à la statistique de Fermi-Dirac.

Il y a six types ( ou saveurs ) de quarks : up, down, strange, charm, top et bottom. Comme les leptons, ils peuvent être regroupés en doublets qui sont des copies conformes, sauf pour ce qui est de leurs masses.

Classement des quarks

Quarks		Antiquarks
Q = 2/3	Q = −1/3	Q = -2/3	Q = 1/3
$\mathbf {u}$ (up)	$\mathbf {d}$ (down)	$\mathbf {\bar {u}}$ (anti-up)	$\mathbf {\bar {d}}$ (anti-down)
$\mathbf {c}$ (charm)	$\mathbf {s}$ (strange)	$\mathbf {\bar {c}}$ (anti-charm)	$\mathbf {\bar {s}}$ (anti-strange)
$\mathbf {t}$ (top)	$\mathbf {b}$ (bottom)	$\mathbf {\bar {t}}$ (anti-top)	$\mathbf {\bar {b}}$ (anti-bottom)

Charge électrique	+2/3 e			–1/3 e
Génération	Particule	Symbole / antiparticule	Masse (keV/c2)	Particule	Symbole / antiparticule	Masse (keV/c2)
1re	Quark up	u   /   u	1 500 – 3 300	Quark down	d   /   d	3 500 – 6 000
2e	Quark charm	c   /   c	1 160 000 – 1 340 000	Quark strange	s   /   s	70 000 – 130 000
3e	Quark top	t   /   t	173 100 000 ± 1 300 000	Quark bottom	b   /   b	4 200 000 à (+ 170000 / - 70000)

• Les neutrinos

Charge électrique	0			–1 e   ( e = 1,602176487×10-19 C )
Génération	Particule	Symbole / antiparticule	Masse (keV/c2)	Particule	Symbole / antiparticule	Masse (keV/c2)
1re	Neutrino électronique	νe   /   νe	< 0,0022	Électron	e –   /   e +	511
2e	Neutrino muonique	νµ   /   νµ	< 170	Muon	µ –   /   µ +	105 700
3e	Neutrino tauique	ντ   /   ντ	< 15 500	Tau	τ –   /   τ +	1 777 000

Le positronium

positronium

$un~e^{+}~et~un~e^{-}$ en orbite
autour de leur centre de masse

Le positronium (noté Ps ou e⁺e^-) est un système quasi-stable constitué d'un positron et d'un électron formant un atome exotique.

Collision de la matière et de l'antimatière

Quand elles entrent en contact, l'antimatière et la matière peuvent s'annihiler mutuellement pour se transformer en énergie ou bien pour former une ou plusieurs particules.

Les particules formées conservent un certain nombre de caractéristiques comme la charge électrique totale.

En particulier, l'annihilation peut produire une particule et son antiparticule différentes de celles initiales.

Exemples :

• annihilation positon / électron

$e^{+}~+~e^{-}\to \gamma ~+~\gamma$

• collision proton / antiproton

proton ( p ) + antiproton $({\bar {p}})\to$ e^- + positon ( e⁺)

Création de l'antimatière

♦ Un photon $\gamma$ qui a suffisamment d'énergie peut créer un positon lors de son interaction avec un atome A :

$\gamma +A\to e^{+}~+~e^{-}~+A$

Il faut une interaction avec un atome A car un photon isolé ne peut pas créer de couple particule/antiparticule à lui seul. En effet, dans ce cas, il ne pourrait y avoir conservation à la fois de l'énergie, de la charge et de la quantité de mouvement.

♦ Les accélérateurs de particules permettent la production d'antimatière et on est à présent capable de la stocker pour l'étudier.

Exercices

Faites ces exercices : Antimatière.