Qu'est-ce que l'antimatière?
Objets dans l’univers – galaxies, étoiles, quasars, planètes, supernovae, animaux et humains
Sur la base des données disponibles à ce jour, aucuneil existe des antigalaxies, des anti-étoiles ou d'autres gros objets d'antimatière. Et c'est très étrange: selon la théorie du Big Bang, au moment de la naissance de notre Univers, la même quantité de matière et d'antimatière est apparue, et la destination de cette dernière n'est pas claire. Actuellement, il y a deux explications à ce phénomène: soit l'antimatière a disparu immédiatement après l'explosion, soit elle existe dans certaines parties éloignées de l'univers, et nous ne l'avons tout simplement pas encore découverte. Cette asymétrie est l'un des problèmes non résolus les plus importants de la physique moderne.
Antimatière - matière composée d'antiparticules -«Réflexions miroir» d'un certain nombre de particules élémentaires qui ont le même spin et la même masse, mais diffèrent les unes des autres par les signes de toutes les autres caractéristiques d'interaction: charge électrique et couleur, nombres quantiques de baryon et de lepton. Certaines particules, par exemple un photon, n'ont pas d'antiparticules ou, ce qui est la même chose, sont des antiparticules par rapport à elles-mêmes.
On pense aujourd'hui que les antiparticules réagissent àles forces fondamentales qui déterminent la structure de la matière (forte interaction, formation de noyaux et électromagnétique, formation d'atomes et de molécules), sont exactement les mêmes, donc la structure de l'antimatière doit être la même que la structure de la matière «normale».
Et que signifie le préfixe « anti » ?
Nous utilisons généralement ce préfixe pourdésignent le phénomène inverse. Quant à l'antimatière, elle comprend des analogues de particules élémentaires qui ont une charge opposée, un moment magnétique et d'autres caractéristiques. Bien entendu, toutes les propriétés d'une particule ne peuvent pas être inversées. Par exemple, la masse et la durée de vie doivent toujours rester positives, en se concentrant sur elles, les particules peuvent être attribuées à une catégorie (par exemple, les protons ou les neutrons).
Si nous comparons un proton et un antiproton, alors certainsleurs caractéristiques sont les mêmes: la masse des deux est de 938,2719 (98) mégaélectronvolt, spin ½. Mais la charge électrique du proton est de 1 et l'antiproton a moins 1, le nombre de baryons (qui détermine le nombre de particules fortement interagissantes constituées de trois quarks) est 1 et moins 1, respectivement.
Certaines particules, comme le boson de Higgs et le photon, n’ont pas d’analogues et sont appelées neutres vrais.
La plupart des antiparticules, ainsi que les particules, apparaissent dans un processus appelé « production de vapeur », qui nécessite une énergie élevée, ou une vitesse énorme, pour former une telle paire.Dans la nature, les antiparticules apparaissent lorsque les rayons cosmiques entrent en collision avec l’atmosphère terrestre, à l’intérieur d’étoiles massives, près des pulsars et des noyaux galactiques actifs.Pour ce faire, les scientifiques utilisent des collisionneurs-accélérateurs.
Où l'antimatière est-elle «extraite» et stockée?
L’antimatière est extraite au Grand collisionneur de hadrons (LHC) en collectant des nuages d’antiprotons après qu’un faisceau de protons entre en collision avec une cible métallique et ralentit doucement les particules volantes afin qu’elles puissent être utilisées dans des expériences ultérieures.
Auteur : Maximilien Brice, CERN — Serveur de documents du CERN, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=29068932
Particules d'antimatière chargées comme les positronset les antiprotons peuvent être stockés dans ce que l'on appelle des pièges de Penning. Ils sont comme de minuscules accélérateurs de particules. À l'intérieur, les particules se déplacent en spirale tandis que les champs magnétiques et électriques les empêchent d'entrer en collision avec les parois du piège.
Cependant, les pièges de Penning ne fonctionnent pas pourparticules neutres comme l'antihydrogène. Puisqu'elles n'ont pas de charge, ces particules ne peuvent pas être confinées à des champs électriques. Ils sont piégés dans les pièges d'Ioffe, qui fonctionnent en créant une zone d'espace où le champ magnétique devient plus grand dans toutes les directions. Les particules d'antimatière se coincent dans la zone avec le champ magnétique le plus faible.
Le champ magnétique terrestre peut servir de piège à l'antimatière. Des antiprotons ont été trouvés dans certaines zones autour de la Terre - les ceintures de rayonnement de Van Allen.
Pourquoi l'antimatière est-elle si difficile à obtenir?
Il est également devenu évident que l’étude de cette substance mystérieuse était beaucoup plus difficile que son enregistrement.Le problème est que la matière et l’antimatière s’annihilent lorsqu’elles se « touchent »Dans les laboratoires, il est tout à fait possible de produire de l’antimatière, bien qu’il soit assez difficile de s’y accrocher.Jusqu’à présent, les scientifiques n’ont pu le faire qu’en quelques minutes.
Le problème du stockage de l'antimatière est un véritable casse-têtedouleur pour les physiciens, car les antiprotons et les positrons s'annihilent instantanément lorsqu'ils rencontrent des particules de matière ordinaire. Pour les garder, les scientifiques ont dû mettre au point des dispositifs astucieux qui pourraient empêcher une catastrophe. Les antiparticules chargées sont stockées dans le soi-disant piège de Penning, qui ressemble à un accélérateur miniature. Son puissant champ magnétique et électrique empêche les positons et les antiprotons d'entrer en collision avec les parois de l'appareil. Cependant, un tel dispositif ne fonctionne pas avec des objets neutres comme l'atome d'antihydrogène. Pour ce cas, le piège Ioffe a été développé. La rétention d'antiatomes en elle se produit en raison du champ magnétique.
De quoi l'antimatière est-elle capable?
Seule une poignée d'antimatière peut produireune énorme quantité d'énergie. Cela en fait un carburant populaire pour les véhicules de science-fiction futuristes. En général, un moteur de fusée à antimatière est hypothétiquement possible; la principale limitation est l'accumulation de suffisamment d'antimatière pour l'utiliser.
D’ailleurs, l’énergie de 1 milligramme d’antimatière est suffisante pour un vol vers Mars.
Il n'y a actuellement aucune technologie disponible pourproduction en série ou collecte d'antimatière dans la mesure requise pour cette application. Cependant, un petit nombre de scientifiques ont mené des recherches sur la simulation de mouvement et de stockage. Il s'agit notamment de Ronan Keen et Wei-Ming Zhang, qui ont travaillé respectivement à la Western Reserve Academy et à la Kent State University, ainsi que Mark Weber et ses collègues de la Washington State University. Un jour, si nous pouvons trouver un moyen de créer ou de collecter de grandes quantités d'antimatière, leurs recherches pourraient contribuer à faire du voyage interstellaire en utilisant l'antimatière une réalité.
Pourquoi n'utilisons-nous toujours pas cette source d'énergie?
L'anéantissement de l'antimatière et de la matière peutlibère une énorme quantité d'énergie. Un gramme d'antimatière peut provoquer une explosion de la taille d'une bombe nucléaire. Cependant, les humains ont produit de très petites quantités d'antimatière.
L'inefficacité de la production d'antimatière est énorme.Compte tenu du coût d'obtention de l'antimatière, vous ne pouvez récupérer qu'un dixième de milliard (10-10) de l'énergie investie. Si les scientifiques pouvaient collecter toute l'antimatière que nous avons jamais produite au CERN et l'anéantir avec de la matière, alors il n'y aurait que suffisamment d'énergie pour allumer une ampoule pendant quelques minutes.
Tous les antiprotons créés dans un accélérateur de particulesLe Tevatron du Fermilab ne mesure que 15 nanogrammes. Celles produites au CERN pèsent environ 1 nanogramme. À ce jour, DESY en Allemagne a produit environ 2 nanogrammes de positrons.
Si toute l'antimatière jamais produite par les humains était détruite en même temps, l'énergie produite ne serait même pas suffisante pour faire bouillir une tasse de thé.
Le problème est l'efficacité et le coûtproduction et stockage d'antimatière. La production d'un gramme d'antimatière nécessitera environ 25 millions de milliards de kilowattheures d'énergie et plus d'un million de milliards de dollars.
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Le spin est le moment cinétique propre des particules élémentaires, qui a une nature quantique et n'est pas associé au mouvement de la particule dans son ensemble.