Antiparticules Antimondes

1. Antimatière Matière Antiparticules Antimondes A. Bay Mai 2002

2. antiparticules et antimondesl'antimatière dans le laboratoire et dans l'Univers Introduction: les symétries Prédiction théorique et observation des antiparticules La production d'antiHydrogène au CERN Utilisation des antiparticules: la tomographie par émission de positons les moteurs à antimatière A la recherche des antimondes, un peu de Cosmologie

3. les symétries syn-: ensemble metron : mesure

4. ? Bacchus ou Ariane ? une symétrie binaire partielle au temps des Romains… MUSEE ROMAIN DE NYON

5. Que signifie "symétrique"… … 6 configurations

6. Que signifie "symétrique"… un nombre infini de possibilités !

7. Les choses deviennent esthétiquement plus intéressantes quand la configuration n'est pas "trop" symétrique. GD GG DD Cela est aussi vrai dans le monde sub-microscopique des particules élémentaires !

8. voir http://www.emmynoether.com La physique des particules d'aujourd'hui est basée sur les travaux de Amalie (Emmy) Noether En 1915 elle montre que: A toute symétrie des lois de la physique, on doit pouvoir associer une loi de conservation et réciproquement. Conservation de la quantité de mouvement Invariance par translation Invariance de jauge Conservation de la charge

9. La matière est constituée d ’atomes, les atomes contiennent le noyau formé de protons et de neutrons autour duquel orbitent les électrons Le modèle atomique en ~1930 Dans le modèle atomique, les électrons de charge négative sont attirés par le noyau de charge positive: la cohésion de l'atome est due à la force électromagnétique.

10. Albert Einstein Max Planck Paul A. M. Dirac Genèse du concept d ’antiparticule En 1927 Dirac cherche à marier la théorie de la relativité et la théorie quantique

11. la solution de cette équation comporte 2 composantes: la première permet de décrire l ’électron… de charge - - Dirac postule que la seconde composante décrit une particule similaire à l ’électron, mais de charge ++… mais laquelle ? En 1927 la seule particule positive connue était le proton. L'équation de Dirac mais que représente l ’autre composante…?

12. Origine des deux solutions: Energie cinétique classique: E = mv2/2 = p2/2m Th. de la relativité: un corps de masse m possède une énergie au repos E = mc2 Corps en mouvement: on ajoute une partie cinétique et on obtient l'équation E2 = m2c4 + p2c2 2 solutions pour E:

13. électron proton ? … une énergie<0 ??? Dirac cherche une échappatoire à ce piège algébrique…! Il introduit la notion - improbable - de mer d'électrons d'énergie négative dans lequel des trous peuvent se former. Ces trous se comportent comme des particules de charge + et d'énergie positive. E>0 E<0

14. Le "trou" peut-il représenter le proton ? non: il apparaît rapidement que la deuxième composante dans l'équation de Dirac doit représenter un objet de même masse que la première. La solution viendra de Oppenheimer, Stückelberg et de Feynman: il remplacent les particules E<0 par d'autres (anti)particules de charge opposée, E>0 En 1930 la question était désormais expérimentale: est-ce que la deuxième composante de l'équation de Dirac a une réalité physique ou bien est-elle un phantasme de théoricien ? Où aller chercher ces antiparticules ?

15. miroir « de charge » Particules Antiparticules électron charge - positon charge + particules et antiparticules ont des charges opposées et une même massem ! Pour produire un couple électron-positon il faut disposer d’une ENERGIE > 2 m c2 rayon gamma positon et électron se matérialisent

16. La découverte du positon les antiparticules des électrons, nommées positons, ont été observées au CAL-Tech par C. D. Anderson en 1932. positon électron

17. BEBC au Cern Le détecteur BEBC du CERN

18. ce sont deux rayons “gamma” d ’énergie >mc2chacun, que l’on peut observer avec des détecteurs particule & antiparticule L'annihilation d'un couple Quand un électron rencontre un positon, il y a annihilation et on récupère l’énergie E= 2 m c2 e+ + e- —> g g (les ondes électromagnétiques: radio, infrarouge, visible, ultraviolet, rayons X, gamma)

19. Découverte des antiparticules positon dans les rayons cosmiques (Anderson et al.) 1947-1956 Kaon / antiKaon 1955 antiproton (Bevatron de Berkeley, Chamberlain et al.) 1956 antineutron (idem) 1950-1960 neutrino/antineutrino … Plusieurs substances radioactives sont émettrices de positons (en médecine on utilise l' O15, le F18…)

20. Le modèle standard des particules

21. u u u d PROTON: d NEUTRON: d d u u u PROTON: NEUTRON: d d d Antiprotons et antineutrons dans le modèle des quarks Protons et neutrons sont constitués de 3 quarks Antiprotons et antineutrons de 3 antiquarks Q=+1 Q=0 miroir de charge Q=-1 Q=0

22. Est-ce que l'on peut assembler des antiparticules pour former des antiatomes p. ex. de l'antiHydrogène ? Prochaine question: l’antiH est-il stable et peut-il former des antiétoiles?

23. … d’un positon ...d ’un antiproton - - …. et leur assemblage La formation d ’antiHydrogène nécessite la production... pour l'assemblage, antiproton et positon doivent voyager lentement

24. freinage des anti-p beaucoup de particules après le choc anneau d’accélération p rapides sélection d’anti-p cible expériences faisceau de p Production d ’antiprotons lents p = protons (noyaux d’hydrogène)

25. Production d’antiprotons lents au CERN accélération de protons production et sélection d ’antiprotons utilisation AD: freinage des antiprotons

26. production 2

27. Production de l’antiHydrogène

28. Les aimants de l’AD

29. entrée des positons - entrée des antiprotons Assemblage del’antiHydrogènedans des pièges de Penning piège à positons région de rencontre piège à anti-p

30. antiH

31. On a été capable de créer des atomes d ’antiH Des études vont se poursuivre pour en étudier les propriétés • Est-ce que les masses de l ’H et de l ’antiH sont identiques ? • Les spectres sont-ils égaux ? • Production et étude d' antiH2 • Production et étude d' antiD . . . …

32. Petite pause technologique… Quels sont les usages des antiparticules ? 1) Aujourd’hui: utilisation en imagerie médicale 2) A l ’étude: utilisation dans le stockage de l'énergie, pour les voyages dans l’espace, …

33. Tomographie par émission de positons

34. Tomographie par émission de positons On injecte une substance métaboliquement active émettrice des positons détecteurs de particules La substance se concentre dans certaines régions du corps (tumeurs, régions du cerveau actives,…) gamma gamma Les positons s ’annihilent avec les électrons de la matière. Deux rayons gamma sont émis et observés par des détecteurs de particules

35. Isotopes pour TEP

36. La tomographie par émission de positons permet d ’étudier le comportement du cerveau entendre des mots lire des mots sur un écran

37. La tomographie par émission de positons permet de diagnostiquer des tumeurs

38. La tomographie positons permet de créer des images 3D de suivre l’évolution temporelle du métabolisme d’une substance

39. Les voyages dans l ’Espace le bon vieux SATURNE V: Poids total2950 tonnes Premier étage Poids combustible 2150 tonnes Poussée (intensité de la force) 3300 tonnes 3300 > 2950 donc la fusée se soulève Vitesse de combustion (durée 160 s) 13 tonnes/sec Vitesse éjection 2.8 km/s Le rendement est donné par l’Impulsion spécifique = Poussée / V.combustion = 253 sec et aussi par (poussée/poids total) = 3300/2950 , environ 1

40. type de propulsion impulsion spec. poussée/poids chimique 200-400 0.1 - 10 fission nucléaire 500-3000 0.1 - 10 fusion nucléaire 10 4 - 10 5 10 -5 - 10 -2 annihilation 10 3 -10 6 10 -3 - 1 voyages interplanétaireset pré-interstellaires seule l'annihilation matière avec l’antimatière aurait les qualités nécessaires pour des …donc, un moteur à antimatière ?

41. On produit (sur Terre) une certaine quantité d’antiprotons. On les introduit dans un réservoir: prototype: HIPAT High Performance Antimatter Trap Les antiprotons entrent progressivement en collision avec des pastilles de HLi et provoquent des miniexplosions avec génération de plasma chaud. Le plasma est expulsé à grande vitesse. Le moteur à antimatière

42. prototype HIPAT Pennsylvania State University stockage de 109 antiprotons

43. ICAN II

44. Antimatière pour les projets dans l'Espace M a s s e g 1 mg V km/s

45. production d'antiprotons 1 mg/an mp = 1.67 10-24 g 1955 2010 Le rendement de la production d'antiprotons augmente d'un facteur 10 chaque 2.5 ans.

46. Des réservoirs d'énergie à antiparticules ? R&D dans la production, stockage et utilisation de l'antimatière Los Alamos NASA SBIR Phase II: Construction of a High Efficiency Antiproton Degrader/Accumulator to Support Advanced Propulsion Research …By the end of the project, we intend to provide a potentially commercial source of low energy antiprotons in portable traps to the research community. USAF BAA Award: storage of 1015 positrons for Earth-to orbit propulsion

47. Y a-t-il des mondes faits d’antimatière ? Des étoiles et galaxies pourraient exister, formées d’antimatière...

48. Recherche de l ’antimatière antiHe, antiLi,…dans les rayons cosmiques Les rayons cosmiques sont des particules qui proviennent du Cosmos et qui tombent sur la Terre, à tout moment …

49. On recherche de l’antimatièredans l ’espace proche ...

50. …on recherche l'antimatière dans l'espace éloigné