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L’anti-matière et matière noire : qu’est-ce que c’est ?

Comme beaucoup de concepts quantiques, l’anti-matière sonne très “science-fiction”. Pourtant, rien de plus mathématique et cartésien que l’anti-matière. Ok, mais à quoi ça sert, quel est son rôle dans l’univers et d’où vient l’anti-matière ?

Dans l’univers, tout ce que l’on voit (étoiles, planètes, galaxies, vous, moi, votre ordinateur, votre chat…) est constitué de matière. La matière, c’est l’ensemble de ce qui est constitué des éléments chimiques du tableau périodique : carbone, fer, oxygène, or, cuivre, etc. Cette matière porte le doux nom de « matière baryonique ».

Toute cette matière baryonique ne représente pourtant que 5% de ce qui existe dans l’univers. Tout le reste est (presque) totalement inconnu et inexpliqué à ce jour.

On sait seulement que dans les 95% restant, il y a environ 20% de « matière noire » (responsable de la gravitation, phénomène inexplicable par la seule matière baryonique) et 75 % d’énergie noire, responsable de l’accélération de l’expansion de l’univers.

Entre tout ça, il y a aussi d’autres formes de « matière » assez étranges. L’anti-matière est l’une d’elle.

Comment a-t-on découvert l’anti-matière ?

L’anti-matière a été découverte en résolvant une équation mathématique (comme assez souvent en physique quantique) ! En 1930, le physicien anglais Paul Dirac découvre que l’une des équations de la physique admettaient deux solutions (tout comme l’équation x²=4 admet deux solutions que sont 2 et −2 par exemple. Jusqu’à là, rien d’extraordinaire).

L'équation de Paul Dirac. Tout simplement.
L’équation de Paul Dirac qui a conduit au concept d’anti-matière. Tout simplement.

D’un point de vue physique, l’une de ces 2 solutions correspond à la matière normale, c’est à dire celle dont nous sommes faits. L’autre solution a été baptisée « anti-matière », comme étant l’opposé de la matière.

Peu après cette découverte théorique, les physiciens ont mis en évidence des particules d’anti-matière confirmant alors la découverte de Paul Dirac : l’anti-électron fut découvert, puis l’anti-neutron, l’anti-proton… En fait, on suppose que chaque particule de matière (électron, proton, méson, neutrino…) dispose d’une anti-particule correspondante.

Quelles sont les propriétés de l’anti-matière ?

Dans la modèle standard des particules en physique quantique, les particules sont caractérisées par ce qu’on appelle des nombres quantiques. On caractérise aussi une particule par sa masse, sa charge, son spin, sa charge de couleur, etc.

Les particules de matière et d’anti-matière diffèrent sur certaines de ces caractéristiques. Ainsi, l’anti-électron a une charge et un spin opposés à ceux de l’électron. D’autres nombres (comme la masse) sont identiques : un anti-proton a la même masse qu’un proton.

Paul Dirac, qui pose fièrement devant une équation
Paul Dirac, qui pose fièrement devant une équation

Les propriétés physiques sont également miroitées, mais similaires. Ainsi, un anti-électron peut être capté par un anti-proton, le tout formant un anti-atome d’hydrogène, ou anti-hydrogène.

Dans l’univers, bien qu’il n’y ait que 5% de matière baryonique (la matière que l’on connaît et qui nous compose nous et tout ce qui nous entoure), on constate qu’il n’y a pratiquement pas d’anti-matière. Cette dissymétrie est encore inexpliquée, mais la conséquence — non négligeable — est que l’univers peut exister.

En effet, quand une particule de matière rencontre son anti-particule, elles s’annihilent et provoquent une réaction très énergétique qui transforme cette matière en énergie pure : des photons.

Matière + antimatière = boom.
Matière + antimatière = boom.

Cette réaction d’annihilation est si puissante que si deux pièces de monnaie, l’une de matière et l’autre d’anti-matière se touchaient, alors l’énergie libérée serait suffisante pour couvrir les besoins énergique de toute la France durant une demi-journée.

Il n’est pas exclu qu’on découvre un jour dans l’univers (ou dans un autre univers) une région composée d’anti-matière uniquement ; le nôtre étant fait de matière.

Comment peut-on créer de l’anti-matière ?

L’anti-matière est très difficile à obtenir : comme on a vu, il suffit qu’une particule d’anti-matière rencontre une particule de matière pour que les deux disparaissent dans une explosion. Et par « matière » on peut sous entendre n’importe quoi. Si l’on stockait l’anti-matière dans un bocal, cela créerait une explosion immédiatement puisque le bocal est constitué… de matière !

Alors, pour stocker l’anti-matière, on utilise des « capsules » de vide avec des électro-aimants pour les maintenir éloignés des parois.

Un système de conteneur pour anti-matière, par les chercheurs du LHC.
Un système de conteneur pour anti-matière

Le stockage est donc contraignant, mais on arrive à créer des quantités infimes d’anti-matière quand même. Pour générer de l’anti-matière, il faut concentrer des quantités d’énergies très importantes dans un espace de la taille d’une particule sub-atomique. Il se peut alors que deux particules surgissent, l’une d’elle est alors de l’anti-matière.

Ce genre de réactions est possible dans les accélérateurs de particules comme la LHC. Le LHC a ainsi déjà pu produire des atomes d’anti-hydrogène et d’anti-hélium.

Cette réaction est également produite constamment partout dans l’univers, dans le vide : la nature crée deux particules opposées, de nulle-part, mais ces particules finissent par s’annihiler aussitôt après. Boom.

Vous connaissez sans le savoir une autre source d’anti-matière :  ce sont les réactions de désintégration radioactive. Il existe plusieurs types de radioactivité (alpha, bêta+/−, gamma), et certaines d’entre-elles libèrent une particule d’anti-matière au cours de la réaction. Ainsi, lors d’une réaction bêta+ c’est un anti-électron qui est produit, alors que la bêta− produit un anti-neutrino électronique.

Une réaction radioactive de type B+
Une réaction radioactive de type B-

Pour résumer en quelques mots

5% de l’univers est constitué de la matière que nous connaissons et qui nous entoure sur Terre. Pour les 95% restant, c’est un peu le bazar.

En 1930, Dirac découvre l’existence de la l’anti-matière en résolvant une équation mathématique. L’anti-matière est présente en infime quantité dans l’univers pour une raison simple : dès lors qu’elle rencontre de la matière, elle se transforme en énergie.

Pour faire simple : matière + anti-matière = explosion d’énergie. Du coup, difficile de la stocker (puisque n’importe quel conteneur basique est constitué… de matière). Des systèmes qui semblent assez futuristes permettent toutefois de la contenir dans des quantités vraiment minime.

Maîtriser l’anti-matière pourrait offrir une source énergétique absolument dingue à l’humanité. Bon, les voitures à l’anti-matière, c’est pour quand ?


Sources / A lire pour compléter le sujet :

Timo Van Neerden

Timo Van Neerden

Ancien étudiant en physique, fan de sciences, d’informatique, d’internet, du Japon, mais aussi des Pokémon et de tout ce qui touche à la geekerie.

13 commentaires

      • La première impression liée à ces explications est l’humilité et la modestie que je fais mienne! Si j’ai bien intégré nous ne comprenons que 5% de notre univers! Je suis encore plus émerveillé par la forme d’intelligence humaine qui essaie par vos commentaires de nous simplifier au mieux toute cette immense science très compliquée! Je me rends compte à quel point l’humain est vraiment au dessus des autres espèces! Parce qu’il progresse sans arrêt dans la préhension de cette fantastique pensée scientifique! Ce serait extraordinaire de pouvoir domestiquer à bon escient bien sûr cette anti-matière! Quelles formidables applications celles-ci pourraient améliorer et révolutionner vraiment la vie de toutes les espèces y compris la nôtre! Ces tâtonnements qui débouchent sur de plausibles explications sont elles vraiment fondées? réelles? Puisque notre cerveau n’utilise de loin qu’une infime partie de celui-ci, arriverons nous un jour à percer et à maîtriser ces sciences si prometteuses? Je me demande parfois comme la mer et les vagues qui refluent sur les plages que jusqu’à un certain point et pas plus loin, si notre cerveau peut encore se développer ou si une clé génétique nous empêche d’aller plus loin? Encore bravo à tous ces esprits qui pour une fois travaillent ENSEMBLE!

  • Hm,

    En premier lieu, il faut sans doute souligner que le terme anti-matière est utilisé dans deux sens un petit peu différent:
    – l’anti-matière comme de la matière atomique ou moléculaire (au lieu d’une molécule d’hydrogène composée de particules, on a une molécule d’anti-hydrogène composée des anti-particules correspondantes).
    – l’anti-matière comme l’ensemble des anti-particules (par exemple dans l’équation de Dirac).
    Le premier n’existe apparemment pas dans l’univers observé, le deuxième est au contraire courant.

    1) “Dans l’univers, tout ce que l’on voit (étoiles, planètes, galaxies, vous, moi, votre ordinateur, votre chat…) est constitué de matière.”

    Déjà, techniquement, notre œil ne voit rien d’autres que la lumière produit par la réaction, et cette réaction peut faire intervenir des particules d’anti-matière tel que les positrons dans les réactions nucléaires d’une étoile.
    La lumière elle-même est d’ailleurs son propre anti-matière.
    Une expérience populaire de physique des particules est la chambre à étincelles. Celle-ci permet de “voir” les muons qui traversent la terre après que les vents solaires aient réagi avec les hautes couches de l’atmosphère. Ces muons sont en grande majorité des anti-muons. L’anti-matière est réellement présent autour de nous, tout le temps (en quantité plus limitée que la matière, évidemment).
    Donc, si vous voulez voir de l’anti-matière (dans le sens “anti-particule”), c’est assez simple.

    2) “« matière noire » (responsable de la gravitation, phénomène inexplicable par la seule matière baryonique)”

    La matière noire n’est pas responsable de la gravitation, mais intervient comme matière additionnel pour expliquer les mouvements gravitionnels observés dans la galaxie. La matière noire n’a pas un statut plus particulier par rapport à la gravitation que la matière baryonique.

    3) “Entre tout ça, il y a aussi d’autres formes de « matière » assez étranges. L’anti-matière est l’une d’elle.”

    5% + 20% + 75%, ça fait 100%, il n’y a donc pas “d’entre tout ça”.
    Si je ne m’abuse, les 5% regroupent toutes la “matières expliquées”, qui elle-même est composée majoritairement de particules, mais également d’anti-particules.
    Dans cette classification, l’anti-matière est justement considérée comme n’étant pas la “matière assez étrange”.

    4) “En fait, on suppose que chaque particule de matière (électron, proton, méson, neutrino…) dispose d’une anti-particule correspondante”

    On ne suppose plus réellement, vu que les anti-particules de toutes les particules connues ont été observée directement ou indirectement.

    5) ” elles s’annihilent et provoquent une réaction très énergétique”

    La réaction en elle-même n’est pas particulièrement énergétique.
    Une désintégration d’un atome d’uranium émet ~200MeV, tandis qu’une désintégration d’une paire électron-antiélectron au repos émet ~1MeV (et ~2000MeV pour une paire proton-antiproton).
    Par contre, toute l’anti-matière peut être désintégrée très rapidement.
    Par ailleurs, sans doute que pour générer une explosition d’énergie X, il faudrait fournir une énergie >X pour produire la quantité d’anti-matière nécessaire à cela.

    6) “L’anti-matière est très difficile à obtenir”

    De nouveau, cela dépend de quoi on parle: la matière composée d’anti-particule est difficile à obtenir, les anti-particules elles-même, non, puisqu’on peut en obtenir à partir de désintégration nucléaire ou collision.

    7) “Un système de conteneur pour anti-matière”

    Je pense que cette image vient du film “anges et démons”, qui est loin d’être réaliste.

    8) ” Pour générer de l’anti-matière, il faut concentrer des quantités d’énergies très importantes dans un espace de la taille d’une particule sub-atomique.”

    Je ne suis pas un expert, mais non, pour créer une anti-particule, pas besoin d’énergies très importantes dans un espace très petit (comme déjà dit: une désintégration nucléaire naturelle ou une collision à basse énergie suffit).
    Pour de l’anti-matière de type anti-hydrgène, la difficulté est justement de freiner ces anti-particules, pour qu’elles puissent former un anti-atome (et donc, de nouveau, on ne veut pas de grandes quantités d’énergie).

    9) ” Il se peut alors que deux particules surgissent, l’une d’elle est alors de l’anti-matière.”

    Là, je pense qu’il y a un gros mélange entre anti-matière “atomique” et anti-particule.
    Aujourd’hui, on crée des paires particule – antiparticule à partir de collision à haute énergie, car on est intéressé par certaines particules ayant une masse élevée.
    Mais créer une paire électron-antiélectron ne nécessite pas de haute énergie.
    L’anti-matière de type “anti-hydrogène” n’a rien à voir avec la production de paire.

    10) “Ce genre de réactions est possible dans les accélérateurs de particules comme la LHC. Le LHC a ainsi déjà pu produire des atomes d’anti-hydrogène et d’anti-hélium.”

    Pas le LHC, mais le CERN. Le LHC est une des expériences du CERN, mais les expériences sur l’anti-hydrogène, par exemple, sont plutôt LEAR ou ATHENA.
    Cette histoire de création de paire est correcte pour les anti-particules dans la LHC, mais l’anti-hydrogène n’est pas créé comme ça. C’est sans doute lié à la même confusion expliquée au point 9.

    11) “Maîtriser l’anti-matière pourrait offrir une source énergétique absolument dingue à l’humanité.”

    Vu que l’anti-matière n’existe pas dans notre univers de matière, il faudrait donc créer cette anti-matière, ce qui nécessite au moins autant d’énergie que ce qu’il peut fournir.

  • bonjour,

    j’ai trouvé votre vulgarisation assez efficace, surtout lorsque vous avez comparé les deux solutions possibles de l’équation de Paul Dirac à celle de x^2=4 admet x=2 et x=-2.

    Les sources sont rares sur internet, tout comme les documentaires, ce que je trouve dommage car il s’agit vraiment d’un sujet passionnant.

  • Très bon article! Merci bcp… Je pense placer quelques extraits de cet article sur notre blog: sorcellerie.org/blog
    Car il faut faire connaitre votre blog. Il est très dur d’expliquer la physique quantique et vous y parvenezà merveille… Bravo!

Timo Van Neerden

Timo Van Neerden

Ancien étudiant en physique, fan de sciences, d’informatique, d’internet, du Japon, mais aussi des Pokémon et de tout ce qui touche à la geekerie.

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