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 :