Nous avons besoin d'antimatière. FAQ : L'histoire de la découverte de l'antimatière

Récemment, des membres de la collaboration ALICE au CERN ont mesuré les masses des noyaux d'antimatière avec une précision record et ont même estimé l'énergie qui lie les antiprotons aux antineutrons qu'ils contiennent. Jusqu'à présent, aucune différence significative n'a été trouvée entre ces paramètres dans la matière et l'antimatière, mais ce n'est pas l'essentiel. Il est important qu'à l'heure actuelle, au cours des dernières années, non seulement des antiparticules, mais aussi des antinoyaux et même des antiatomes deviennent disponibles pour des mesures et des observations. Il est donc temps de comprendre ce qu'est l'antimatière et quelle place occupe sa recherche dans la physique moderne.

Essayons de deviner certaines de vos premières questions sur l'antimatière.

Est-il vrai que l'antimatière peut être utilisée pour fabriquer une bombe super puissante ? Et quoi, au CERN on accumule en fait de l'antimatière, comme le montre le film Anges et Démons, et que c'est très dangereux ? Est-il vrai que l'antimatière sera un carburant exceptionnellement efficace pour les voyages spatiaux ? Y a-t-il une vérité dans l'idée d'un cerveau positronique, qu'Isaac Asimov a doté de robots dans ses œuvres ?...

Ce n'est un secret pour personne que pour la plupart, l'antimatière est associée à quelque chose d'extrêmement (explosif) dangereux, à quelque chose de suspect, à quelque chose qui excite l'imagination avec des promesses fantastiques et des risques énormes - d'où de telles questions. On l'admet : les lois de la physique n'interdisent pas directement tout cela. Cependant, la mise en œuvre de ces idées est tellement éloignée de la réalité, des technologies modernes et des technologies des décennies à venir, que la réponse pragmatique est simple : non, pour le monde moderne, ce n'est pas vrai. La conversation sur ces sujets n'est que fantaisie, basée non pas sur de véritables réalisations scientifiques et techniques, mais sur leur extrapolation bien au-delà des limites des possibilités modernes. Si vous voulez parler sérieusement de ces sujets, rapprochez-vous de l'an 2100. En attendant, parlons de vraies recherches scientifiques sur l'antimatière.

Qu'est-ce que l'antimatière ?

Notre monde est organisé de telle manière que pour chaque type de particules - électrons, protons, neutrons, etc. - il y a des antiparticules (positrons, antiprotons, antineutrons). Ils ont la même masse et, s'ils sont instables, la même demi-vie, mais des charges opposées et des nombres d'interaction différents. Les positrons ont la même masse que les électrons, mais seulement une charge positive. Les antiprotons ont une charge négative. Les antineutrons sont électriquement neutres comme les neutrons, mais ont le nombre baryonique opposé et sont composés d'antiquarks. L'antinoyau peut être assemblé à partir d'antiprotons et d'antineutrons. En ajoutant des positrons, on créera des anti-atomes, et en les accumulant, on obtiendra de l'antimatière. Tout cela est de l'antimatière.

Et ici immédiatement, il y a plusieurs subtilités curieuses à propos desquelles il convient de mentionner. Tout d'abord, l'existence même des antiparticules est un grand triomphe de la physique théorique. Cette idée non évidente, voire choquante pour certains, a été théoriquement dérivée de Paul Dirac et a d'abord été perçue avec hostilité. De plus, même après la découverte des positrons, beaucoup doutaient encore de l'existence des antiprotons. Tout d'abord, ont-ils dit, Dirac a proposé sa théorie pour décrire l'électron, et il n'est pas certain que cela fonctionnera pour le proton. Par exemple, le moment magnétique du proton diffère plusieurs fois de la prédiction de la théorie de Dirac. Deuxièmement, des traces d'antiprotons ont été longtemps recherchées dans les rayons cosmiques, et rien n'a été trouvé. Troisièmement, ils ont affirmé - répétant littéralement nos mots - que s'il y a des anti-protons, alors il doit y avoir des anti-atomes, des anti-étoiles et des anti-galaxies, et nous les remarquerions certainement à partir d'explosions cosmiques grandioses. Puisque nous ne le voyons pas, c'est probablement parce que l'antimatière n'existe pas. Par conséquent, la découverte expérimentale de l'antiproton en 1955 à l'accélérateur Bevatron nouvellement lancé était un résultat plutôt non trivial, récompensé par le prix Nobel de physique en 1959. En 1956, l'antineutron a également été découvert sur le même accélérateur. L'histoire de ces recherches, de ces doutes et de ces réalisations se trouve dans de nombreux essais historiques, par exemple dans ce rapport ou dans le récent livre Antimatter de Frank Close.

Cependant, il faut dire séparément qu'un doute solide dans des déclarations purement théoriques est toujours utile. Par exemple, l'affirmation que les antiparticules ont la même masse que les particules est aussi un résultat théorique, il découle du très important théorème CPT. Oui, la physique moderne du micromonde, testée à plusieurs reprises par l'expérience, est construite sur cette affirmation. Mais encore, c'est l'égalité : qui sait, peut-être trouverons-nous ainsi les limites d'applicabilité de la théorie.

Autre caractéristique : toutes les forces du micromonde ne sont pas également liées aux particules et aux antiparticules. Pour les interactions électromagnétiques et fortes, il n'y a pas de différence entre elles, pour les faibles il y en a. De ce fait, certains détails subtils des interactions des particules et des antiparticules diffèrent, par exemple, les probabilités de désintégration de la particule A en un ensemble de particules B et anti-A en un ensemble d'anti-B (pour un peu plus de détails sur les différences, voir la sélection de Pavel Pakhov). Cette caractéristique survient parce que les interactions faibles brisent la symétrie CP de notre monde. Mais pourquoi cela se produit est l'un des mystères des particules élémentaires, et cela nécessite d'aller au-delà du connu.

Et voici une autre subtilité : certaines particules ont si peu de caractéristiques que les antiparticules et les particules ne diffèrent pas du tout les unes des autres. De telles particules sont dites véritablement neutres. Il s'agit d'un photon, boson de Higgs, mésons neutres, constitué de quarks et d'antiquarks de même nature. Mais la situation avec les neutrinos n'est pas encore claire : peut-être sont-ils vraiment neutres (Majorana), ou peut-être pas. Ceci est d'une grande importance pour la théorie décrivant les masses et les interactions des neutrinos. La réponse à cette question sera vraiment un grand pas en avant, car elle aidera à faire face à la structure de notre monde. Jusqu'à présent, l'expérience n'a rien dit de clair à ce sujet. Mais le programme expérimental de recherche sur les neutrinos est si puissant, il y a tellement d'expériences que les physiciens se rapprochent progressivement de la solution.

Où est-elle, cette antimatière ?

Lorsqu'une antiparticule rencontre sa particule, elle s'annihile : les deux particules disparaissent et se transforment en un ensemble de photons ou particules plus légères. Toute l'énergie de repos est convertie en énergie de cette microexplosion. Il s'agit de la conversion de masse en énergie thermique la plus efficace, des centaines de fois plus efficace qu'une explosion nucléaire. Mais nous ne voyons pas d'explosions naturelles grandioses autour de nous ; L'antimatière n'existe pas en quantité appréciable dans la nature. Cependant, des antiparticules individuelles peuvent très bien naître dans divers processus naturels.

Le moyen le plus simple est de produire des positrons. L'option la plus simple est la radioactivité, la désintégration de certains noyaux due à la radioactivité bêta positive. Par exemple, les expériences utilisent souvent l'isotope sodium-22 avec une demi-vie de deux ans et demi comme source de positrons. Une autre source naturelle plutôt inattendue est au cours de laquelle des éclairs de rayonnement gamma provenant de l'annihilation des positrons sont parfois détectés, ce qui signifie que des positrons y sont en quelque sorte nés.

Il est plus difficile de créer des antiprotons et autres antiparticules : l'énergie de désintégration radioactive n'y suffit pas. Dans la nature, ils naissent sous l'action de rayons cosmiques de haute énergie : un proton cosmique, entrant en collision avec une molécule de la haute atmosphère, génère des flux de particules et d'antiparticules. Cependant, cela se produit là-haut, les antiprotons n'atteignent presque pas la Terre (ce que ceux qui ont recherché des antiprotons dans les rayons cosmiques dans les années 40 ne savaient pas), et vous ne pouvez pas apporter cette source d'antiprotons au laboratoire.

Dans toutes les expériences physiques, les antiprotons produisent une "force brute": ils prennent un faisceau de protons de haute énergie, le dirigent vers une cible et trient les "morceaux de hadrons" qui naissent en grande quantité lors de cette collision. Des antiprotons triés sont émis sous forme de faisceau, puis ils sont soit accélérés à des énergies élevées pour entrer en collision avec des protons (c'est ainsi, par exemple, que fonctionnait le collisionneur américain Tevatron), soit, à l'inverse, ils sont ralentis et utilisé pour des mesures plus fines.

Le CERN, qui peut à juste titre être fier de sa longue histoire de recherche sur l'antimatière, dispose d'un « accélérateur AD » spécial, le « modérateur d'antiprotons », qui fait exactement cela. Il prend un faisceau d'antiprotons, les refroidit (c'est-à-dire les ralentit), puis distribue le flux d'antiprotons lents sur plusieurs expériences spéciales. Soit dit en passant, si vous voulez regarder l'état de l'AD en temps réel, les moniteurs en ligne du Cern le permettent.

Synthétiser des anti-atomes, même les plus simples, les anti-atomes d'hydrogène, est déjà assez difficile. Dans la nature, ils ne surviennent pas du tout - il n'y a pas de conditions appropriées. Même en laboratoire, de nombreuses difficultés techniques doivent être surmontées avant que les antiprotons ne daignent se combiner avec les positrons. Le problème est que les antiprotons et les positrons émis par les sources sont encore trop chauds ; ils vont simplement entrer en collision les uns avec les autres et s'envoler, plutôt que d'être formés par un antiatome. Les physiciens surmontent encore ces difficultés, mais avec des méthodes assez astucieuses (comme cela se fait dans l'une des expériences ASACUSA du CERN).

Que sait-on de l'antinoyau ?

Toutes les réalisations anti-nucléaires de l'humanité se réfèrent uniquement à l'anti-hydrogène. Les antiatomes d'autres éléments n'ont pas encore été synthétisés en laboratoire et n'ont pas été observés dans la nature. La raison est simple : il est encore plus difficile de créer des antinoyaux que des antiprotons.

La seule façon dont nous savons comment créer des antinoyaux est de pousser des noyaux lourds à haute énergie et de voir ce qui se passe. Si l'énergie de collision est élevée, des milliers de particules y naissent et se dispersent dans toutes les directions, y compris les antiprotons et les antineutrons. Les antiprotons et les antineutrons, éjectés au hasard dans la même direction, peuvent se combiner pour former un antinoyau.

Le détecteur ALICE est capable de distinguer différents noyaux et antinoyaux en termes de libération d'énergie et de direction de torsion dans un champ magnétique.

Image : CERN

La méthode est simple, mais pas trop inefficace : la probabilité de fusionner un noyau de cette manière diminue fortement à mesure que le nombre de nucléons augmente. Les antinoyaux les plus légers, les antideutérons, ont été observés pour la première fois il y a exactement un demi-siècle. Antihelium-3 a été observé en 1971. L'antitriton et l'antihélium-4 sont également connus, et ce dernier a été découvert assez récemment, en 2011. Des antinoyaux plus lourds n'ont pas encore été observés.

Deux paramètres décrivant les interactions nucléon-nucléon (longueur de diffusion f0 et rayon effectif d0) pour différentes paires de particules. L'astérisque rouge est le résultat d'une paire d'antiprotons obtenue par la collaboration STAR.

Malheureusement, vous ne pouvez pas fabriquer des anti-atomes de cette manière. Non seulement les antinoyaux naissent rarement, mais ils ont aussi trop d'énergie et s'envolent dans toutes les directions. Il n'est pas réaliste d'essayer de les attraper au collisionneur, pour ensuite les emporter par un canal spécial et les refroidir.

Cependant, il suffit parfois de suivre attentivement les antinucléi à la volée pour obtenir des informations intéressantes sur les forces antinucléaires agissant entre les antinucléons. Le plus simple est de mesurer soigneusement la masse des antinoyaux, de la comparer à la somme des masses des antiprotons et des antineutrons, et de calculer le défaut de masse, c'est-à-dire l'énergie de liaison du noyau. Il travaille récemment au Large Hadron Collider; l'énergie de liaison pour l'antideutéron et l'antihélium-3 coïncidait dans l'erreur avec les noyaux ordinaires.

Un autre effet, plus subtil, a été étudié par l'expérience STAR à l'American Heavy Ion Collider RHIC. Il a mesuré la distribution angulaire des antiprotons produits et a compris comment elle change lorsque deux antiprotons volent dans une direction très proche. Les corrélations entre antiprotons ont permis pour la première fois de mesurer les propriétés des forces « antinucléaires » agissant entre eux (longueur de diffusion et rayon effectif d'interaction) ; ils coïncidaient avec ce que l'on sait de l'interaction des protons.

Y a-t-il de l'antimatière dans l'espace ?

Lorsque Paul Dirac a déduit l'existence des positrons de sa théorie, il a pleinement supposé que quelque part dans l'espace de véritables anti-mondes pouvaient exister. Nous savons maintenant qu'il n'y a pas d'étoiles, de planètes, de galaxies d'antimatière dans la partie visible de l'Univers. Le point n'est même pas que les explosions d'annihilation ne soient pas visibles ; il est tout simplement inimaginable qu'ils puissent même se former et survivre jusqu'à nos jours dans un univers en constante évolution.

Mais la question « comment est-ce arrivé » est un autre grand mystère de la physique moderne ; en langage scientifique on l'appelle le problème de la baryogenèse. Selon l'image cosmologique du monde, dans l'univers le plus ancien, les particules et les antiparticules étaient également divisées. Ensuite, en raison de la violation de la symétrie CP et du nombre de baryons, un petit excès de matière sur l'antimatière, au niveau d'un milliardième, aurait dû apparaître dans l'univers en développement dynamique. Lorsque l'univers s'est refroidi, toutes les antiparticules se sont annihilées avec des particules, seul cet excès de matière a survécu, ce qui a donné naissance à l'univers que nous observons. C'est grâce à lui qu'il reste au moins quelque chose d'intéressant en elle, c'est grâce à lui que nous existons généralement. Comment exactement cette asymétrie est apparue est inconnue. Il existe de nombreuses théories, mais laquelle est correcte est inconnue. Il est seulement clair qu'il doit certainement s'agir d'une sorte de nouvelle physique, une théorie qui va au-delà du modèle standard, au-delà des limites de la vérification expérimentale.

Trois options pour savoir d'où peuvent provenir les antiparticules dans les rayons cosmiques de haute énergie : 1 - elles peuvent simplement apparaître et accélérer dans un « accélérateur cosmique », par exemple dans un pulsar ; 2 - ils peuvent naître lors de collisions de rayons cosmiques ordinaires avec des atomes du milieu interstellaire ; 3 - ils peuvent se produire lors de la désintégration de particules lourdes de matière noire.

Bien qu'il n'y ait pas de planètes et d'étoiles constituées d'antimatière, l'antimatière est toujours présente dans l'espace. Des flux de positrons et d'antiprotons d'énergies différentes sont enregistrés par les observatoires satellites de rayons cosmiques, tels que PAMELA, Fermi, AMS-02. Le fait que les positrons et les antiprotons nous viennent de l'espace signifie qu'ils sont nés quelque part. Les processus à haute énergie qui peuvent les engendrer sont connus dans leur principe : ce sont les voisinages fortement magnétisés des étoiles à neutrons, les explosions diverses, l'accélération des rayons cosmiques aux fronts d'onde de choc dans le milieu interstellaire, etc. La question est de savoir s'ils peuvent expliquer toutes les propriétés observées du flux d'antiparticules cosmiques. S'il s'avère qu'ils ne le sont pas, ce sera une preuve en faveur du fait que certains d'entre eux surviennent lors de la désintégration ou de l'annihilation de particules de matière noire.

Là aussi, il y a un mystère. En 2008, l'observatoire PAMELA a détecté un nombre étrangement élevé de positrons de haute énergie par rapport à ce que prédisaient les simulations théoriques. Ce résultat a été récemment confirmé par l'installation AMS-02 - l'un des modules de la Station Spatiale Internationale et en général le plus grand détecteur de particules élémentaires lancé dans l'espace (et assemblé devinez où ? - non, au CERN). Cet excès de positrons excite l'esprit des théoriciens - après tout, ce ne sont peut-être pas des objets astrophysiques "ennuyeux" qui en sont responsables, mais de lourdes particules de matière noire qui se désintègrent ou s'annihilent en électrons et positrons. Il n'y a pas encore de clarté, mais l'installation AMS-02, ainsi que de nombreux physiciens critiques, étudient ce phénomène très attentivement.

Le rapport des antiprotons aux protons dans les rayons cosmiques de différentes énergies. Points - données expérimentales, courbes multicolores - attentes astrophysiques avec diverses erreurs.

Image: Bibliothèque de l'Université Cornell

La situation avec les antiprotons n'est pas claire non plus. En avril de cette année, AMS-02 lors d'une conférence scientifique spéciale a présenté les résultats préliminaires d'un nouveau cycle de recherche. Le point culminant du rapport était l'affirmation selon laquelle AMS-02 voit trop d'antiprotons de haute énergie - et cela peut également être un indice de la désintégration des particules de matière noire. Cependant, d'autres physiciens ne sont pas d'accord avec une conclusion aussi vigoureuse. On pense maintenant que les données sur l'antiproton AMS-02, avec une certaine extension, peuvent également être expliquées par des sources astrophysiques conventionnelles. D'une manière ou d'une autre, tout le monde attend avec impatience les nouvelles données sur les positrons et les antiprotons d'AMS-02.

AMS-02 a déjà enregistré des millions de positrons et un quart de million d'antiprotons. Mais les créateurs de cette installation ont un rêve brillant - attraper au moins un anti-noyau. Ce sera une véritable sensation - il est absolument incroyable que des antinoyaux naissent quelque part dans l'espace et volent vers nous. Jusqu'à présent, aucun cas de ce genre n'a été trouvé, mais la collecte de données se poursuit, et qui sait quelles surprises la nature nous prépare.

Antimatière - antigravité ? Comment ressent-elle même la gravité ?

Si nous nous appuyons uniquement sur une physique éprouvée expérimentalement et que nous n'entrons pas dans des théories exotiques non encore confirmées, alors la gravité devrait agir sur l'antimatière de la même manière que sur la matière. Aucune antigravité pour l'antimatière n'est attendue. Si nous nous permettons de regarder un peu plus loin, au-delà du connu, alors les options purement théoriquement possibles sont quand, en plus de la force gravitationnelle universelle habituelle, il y a quelque chose de plus qui agit différemment sur la matière et l'antimatière. Aussi illusoire que puisse paraître cette possibilité, elle demande à être vérifiée expérimentalement, et pour cela il faut mettre en place des expériences pour tester comment l'antimatière ressent la gravité terrestre.

Pendant longtemps, cela n'a pas été vraiment possible pour la simple raison que pour cela, il est nécessaire de créer des atomes individuels d'antimatière, de les piéger et de mener des expériences avec eux. Maintenant qu'ils ont appris à le faire, le test tant attendu approche à grands pas.

Le principal fournisseur des résultats est le même CERN avec son vaste programme d'étude de l'antimatière. Certaines de ces expériences ont déjà indirectement vérifié que la gravité de l'antimatière est correcte. Par exemple, il a découvert que la masse (inertielle) de l'antiproton coïncide avec la masse du proton avec une très grande précision. Si la gravité avait agi différemment sur les antiprotons, les physiciens auraient remarqué la différence - après tout, la comparaison a été faite dans la même configuration et dans les mêmes conditions. Résultat de cette expérience : l'effet de la gravité sur les antiprotons coïncide avec l'effet sur les protons avec une précision meilleure qu'un millionième.

Cependant, cette mesure est indirecte. Pour plus de persuasion, j'aimerais faire une expérience directe : prenez quelques atomes d'antimatière, faites-les tomber et voyez comment ils tombent dans le champ gravitationnel. De telles expériences sont également en cours ou en préparation au CERN. La première tentative n'était pas très impressionnante. En 2013, l'expérience ALPHA - qui avait déjà appris à retenir un nuage d'antihydrogène dans son piège - a tenté de déterminer où tomberaient les anti-atomes si le piège était éteint. Hélas, en raison de la faible sensibilité de l'expérience, il n'a pas été possible d'obtenir une réponse sans ambiguïté : trop peu de temps s'était écoulé, des anti-atomes se sont précipités dans le piège, et des éclairs d'annihilation se sont produits ici et là.

La situation est promise à être radicalement améliorée par deux autres expériences du Cern : GBAR et AEGIS. Ces deux expériences seront testées de différentes manières, comment un nuage d'antihydrogène superfroid tombe dans le champ gravitationnel. Leur précision attendue dans la mesure de l'accélération gravitationnelle de l'antimatière est d'environ 1 %. Les deux installations sont actuellement en cours d'assemblage et de débogage, et les principaux travaux de recherche débuteront en 2017, lorsque le modérateur d'antiprotons AD sera complété par un nouvel anneau de stockage ELENA.

Variantes du comportement des positrons dans la matière solide.

Image : nature.com

Que se passe-t-il si un positron frappe la matière ?

Formation de positronium moléculaire sur une surface de quartz.

Image : Clifford M. Surko / Physique atomique : Une bouffée de soupe d'antimatière

Si vous avez lu jusqu'ici, vous savez déjà parfaitement que dès qu'une particule d'antimatière pénètre dans la matière ordinaire, l'annihilation se produit : particules et antiparticules disparaissent et se transforment en rayonnement. Mais à quelle vitesse cela se produit-il? Imaginons un positron qui vient d'un vide et est entré dans un solide. Va-t-il s'annihiler au contact du premier atome ? Pas nécessairement! L'anniligation d'un électron et d'un positron n'est pas un processus instantané ; cela demande beaucoup de temps à l'échelle atomique. Par conséquent, le positron a le temps de vivre dans la matière une vie brillante et pleine d'événements non triviaux.

Premièrement, un positon peut capter un électron orphelin et former un état lié - le positronium (Ps). Avec la bonne orientation de spin, le positronium peut vivre pendant des dizaines de nanosecondes avant de s'annihiler. Étant dans une substance continue, il aura le temps d'entrer en collision avec des atomes des millions de fois pendant ce temps, car la vitesse thermique du positronium à température ambiante est d'environ 25 km/s.

Deuxièmement, en dérivant dans une substance, le positronium peut remonter à la surface et s'y coller - il s'agit d'un analogue de positron (ou plutôt de positronium) de l'adsorption d'atomes. À température ambiante, il ne s'assied pas au même endroit, mais voyage activement à la surface. Et s'il ne s'agit pas d'une surface extérieure, mais d'un pore de taille nanométrique, alors le positronium y est piégé pendant longtemps.

En outre. Dans le matériau standard pour de telles expériences, le quartz poreux, les pores ne sont pas isolés, mais unis par des nanocanaux dans un réseau commun. Le positronium chaud, rampant sur la surface, aura le temps d'examiner des centaines de pores. Et comme beaucoup de positronium se forme dans de telles expériences et presque tous rampent dans les pores, tôt ou tard ils se heurtent et, en interaction, forment parfois de véritables molécules - le positronium moléculaire, Ps 2. De plus, il est déjà possible d'étudier le comportement du gaz de positronium, les états excités du positronium, etc. Et ne pensez pas que ce soit un raisonnement purement théorique ; Tous les effets listés ont déjà été vérifiés et étudiés expérimentalement.

L'antimatière a-t-elle des applications pratiques ?

Bien sûr. En général, tout processus physique, s'il ouvre devant nous une certaine nouvelle facette de notre monde et ne nécessite aucun surcoût, trouvera certainement des applications pratiques. De plus, de telles applications que nous-mêmes n'aurions pas devinées si nous n'avions pas découvert et étudié au préalable le côté scientifique de ce phénomène.

L'application la plus connue des antiparticules est la TEP, la tomographie par émission de positrons. En général, la physique nucléaire a un palmarès impressionnant d'applications médicales, et les antiparticules ne sont pas restées inactives ici non plus. En TEP, une petite dose d'un médicament contenant un isotope instable avec une courte durée de vie (minutes et heures) et se décomposant en raison de la désintégration bêta positive est injectée dans le corps du patient. Le médicament s'accumule dans les tissus désirés, les noyaux se désintègrent et émettent des positrons, qui s'annihilent à proximité et libèrent deux quanta gamma d'une certaine énergie. Le détecteur les enregistre, détermine la direction et l'heure de leur arrivée et restitue l'endroit où la désintégration s'est produite. De cette manière, il est possible de construire une carte tridimensionnelle de la distribution de la matière avec une résolution spatiale élevée et avec une dose de rayonnement minimale.

Les positrons peuvent également être utilisés en science des matériaux, par exemple pour mesurer la porosité d'une substance. Si la matière est continue, alors les positons coincés dans la matière à une profondeur suffisante s'annihilent assez rapidement et émettent des quanta gamma. S'il y a des nanopores à l'intérieur de la substance, l'annihilation est retardée car le positronium adhère à la surface du pore. En mesurant ce délai, on peut connaître le degré de nanoporosité d'une substance par une méthode sans contact et non destructive. Pour illustrer cette technique, il existe un travail récent sur la manière dont les nanopores apparaissent et se resserrent dans la couche de glace la plus fine lorsque de la vapeur se dépose en surface. Une approche similaire fonctionne également dans l'étude des défauts structuraux des cristaux semi-conducteurs, tels que les lacunes et les dislocations, et permet de mesurer la fatigue structurelle d'un matériau.

Des applications médicales peuvent également être trouvées pour les antiprotons. Maintenant, au même CERN, l'expérience ACE est en cours, qui étudie l'effet du faisceau d'antiprotons sur les cellules vivantes. Son objectif est d'étudier les perspectives d'utilisation des antiprotons pour le traitement des tumeurs cancéreuses.

Libération d'énergie d'un faisceau d'ions et de rayons X lors du passage à travers une substance.

Image : Johannes Gutleber/CERN

Cette idée peut terrifier le lecteur par habitude : comment ça, avec un faisceau d'antiprotons - et pour une personne vivante ?! Oui, et c'est beaucoup plus sûr que de radiographier une tumeur profonde ! Un faisceau d'antiprotons d'énergie spécialement sélectionnée devient un outil efficace entre les mains du chirurgien, à l'aide duquel il est possible de brûler les tumeurs profondément à l'intérieur du corps et de minimiser l'impact sur les tissus environnants. Contrairement aux rayons X, qui brûlent tout ce qui passe sous le faisceau, les particules chargées lourdes qui traversent la matière libèrent l'essentiel de l'énergie dans les derniers centimètres avant de s'arrêter. En ajustant l'énergie des particules, on peut faire varier la profondeur à laquelle les particules s'arrêtent; c'est sur cette zone de la taille du millimètre que va tomber l'effet de rayonnement principal.

Une telle radiothérapie par faisceau de protons est utilisée depuis longtemps dans de nombreuses cliniques bien équipées à travers le monde. Récemment, certains d'entre eux sont passés à la thérapie ionique, qui utilise un faisceau non pas de protons, mais d'ions carbone. Pour eux, le profil de libération d'énergie est encore plus contrasté, ce qui signifie que l'efficacité du couple « effet thérapeutique versus effets secondaires » augmente. Mais il a longtemps été proposé d'essayer des antiprotons à cette fin également. Après tout, lorsqu'ils pénètrent dans la substance, non seulement ils abandonnent leur énergie cinétique, mais ils s'annihilent également après s'être arrêtés - ce qui augmente plusieurs fois la libération d'énergie. Où ce pouvoir supplémentaire est déposé est une question délicate, et qui doit être étudiée attentivement avant le lancement des essais cliniques.

C'est exactement ce que fait l'expérience ACE. Au cours de celle-ci, les chercheurs font passer un faisceau d'antiprotons dans une cuvette contenant une culture bactérienne et mesurent leur survie en fonction de l'emplacement, des paramètres du faisceau et des caractéristiques physiques de l'environnement. Cette collecte méthodique et peut-être ennuyeuse de données techniques est un point de départ important pour toute nouvelle technologie.

Igor Ivanov

L'antimatière a longtemps fait l'objet de science-fiction. Dans le livre et le film Angels & Demons, le professeur Langdon tente de sauver le Vatican d'une bombe à antimatière. Le vaisseau spatial Star Trek Enterprise utilise un moteur d'antimatière annihilant pour voyager plus vite que la vitesse de la lumière. Mais l'antimatière est aussi le sujet de notre réalité. Les particules d'antimatière sont pratiquement identiques à leurs homologues matériels, sauf qu'elles portent une charge et un spin opposés. Lorsque l'antimatière rencontre la matière, elles s'annihilent instantanément en énergie, et ce n'est plus une fiction.

Bien que les bombes à antimatière et les navires basés sur le même carburant ne soient pas encore possibles dans la pratique, de nombreux faits sur l'antimatière vous surprendront ou vous permettront d'approfondir ce que vous saviez déjà.

L'antimatière était censée détruire toute matière dans l'univers après le Big Bang

Selon la théorie, le Big Bang a créé de la matière et de l'antimatière en quantités égales. Quand ils se rencontrent, il y a annihilation mutuelle, annihilation, et il ne reste que de l'énergie pure. Sur cette base, nous ne devrions pas exister.

Mais nous existons. Et pour autant que les physiciens le sachent, c'est parce que pour chaque milliard de paires matière-antimatière, il y avait une particule de matière supplémentaire. Les physiciens font de leur mieux pour expliquer cette asymétrie.

L'antimatière est plus proche de vous que vous ne le pensez

De petites quantités d'antimatière pleuvent constamment sur Terre sous forme de rayons cosmiques, des particules énergétiques venues de l'espace. Ces particules d'antimatière atteignent notre atmosphère à des niveaux allant d'une à plus d'une centaine par mètre carré. Les scientifiques ont également des preuves que l'antimatière est produite pendant les orages.

Il existe d'autres sources d'antimatière plus proches de nous. Les bananes, par exemple, génèrent de l'antimatière en émettant un positron - l'équivalent antimatière d'un électron - environ une fois toutes les 75 minutes. En effet, les bananes contiennent de petites quantités de potassium-40, un isotope naturel du potassium. La désintégration du potassium 40 produit parfois un positron.

Notre corps contient également du potassium 40, ce qui signifie que vous émettez aussi des positrons. L'antimatière s'annihile instantanément au contact de la matière, de sorte que ces particules d'antimatière ne vivent pas très longtemps.

Les humains ont réussi à créer pas mal d'antimatière

L'annihilation de l'antimatière et de la matière a le potentiel de libérer de grandes quantités d'énergie. Un gramme d'antimatière peut produire une explosion de la taille d'une bombe nucléaire. Cependant, les gens n'ont pas produit beaucoup d'antimatière, il n'y a donc rien à craindre.

Tous les antiprotons créés à l'accélérateur de particules Tevatron du Laboratoire Fermi mesurent à peine 15 nanogrammes. Au CERN, seulement environ 1 nanogramme a été produit à ce jour. À DESY en Allemagne - pas plus de 2 nanogrammes de positrons.

Si toute l'antimatière créée par l'homme s'annihile instantanément, son énergie ne sera même pas suffisante pour faire bouillir une tasse de thé.

Le problème réside dans l'efficacité et le coût de production et de stockage de l'antimatière. Créer 1 gramme d'antimatière nécessite environ 25 millions de milliards de kilowattheures d'énergie et coûte plus d'un million de milliards de dollars. Sans surprise, l'antimatière figure parfois dans la liste des dix substances les plus chères de notre monde.

Il existe un piège à antimatière.

Pour étudier l'antimatière, il faut l'empêcher de s'annihiler avec la matière. Les scientifiques ont trouvé plusieurs façons de le faire.

Les particules chargées d'antimatière, comme les positrons et les antiprotons, peuvent être stockées dans ce qu'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 pour les particules neutres comme l'antihydrogène. Comme elles n'ont pas de charge, ces particules ne peuvent pas être limitées par des champs électriques. Ils sont détenus dans des pièges Ioffe qui fonctionnent en créant une région de l'espace où le champ magnétique devient plus fort dans toutes les directions. Les particules d'antimatière se coincent dans la région avec le champ magnétique le plus faible.

Le champ magnétique terrestre peut agir comme des pièges à antimatière. Des antiprotons ont été trouvés dans certaines zones autour de la Terre - les ceintures de rayonnement de Van Allen.

L'antimatière peut tomber (littéralement)

Les particules de matière et d'antimatière ont la même masse, mais diffèrent par des propriétés telles que la charge électrique et le spin. prédit que la gravité devrait avoir le même effet sur la matière et l'antimatière, mais cela reste à voir avec certitude. Des expériences comme AEGIS, ALPHA et GBAR y travaillent.

Observer l'effet gravitationnel dans l'antimatière n'est pas aussi facile que de regarder une pomme tomber d'un arbre. Ces expériences nécessitent de garder l'antimatière piégée ou de la ralentir en la refroidissant à des températures juste au-dessus du zéro absolu. Et puisque la gravité est la plus faible des forces fondamentales, les physiciens doivent utiliser des particules d'antimatière neutres dans ces expériences pour empêcher l'interaction avec la force électrique la plus puissante.

L'antimatière étudiée dans les modérateurs de particules

Avez-vous entendu parler des accélérateurs de particules, mais avez-vous entendu parler des modérateurs de particules ? Le CERN possède une machine appelée Antiproton Decelerator, dans laquelle les antiprotons sont piégés et ralentis pour étudier leurs propriétés et leur comportement.

Dans les anneaux d'accélérateurs de particules comme le Large Hadron Collider, les particules reçoivent un regain d'énergie à chaque fois qu'elles complètent un cercle. Les modérateurs fonctionnent dans le sens inverse : au lieu de disperser les particules, elles sont poussées dans la direction opposée.

Les neutrinos peuvent être leurs propres antiparticules

Une particule de matière et son partenaire anti-matière portent des charges opposées, ce qui permet de les distinguer facilement. Les neutrinos, particules presque sans masse qui interagissent rarement avec la matière, n'ont pas de charge. Les scientifiques pensent qu'il pourrait s'agir d'une classe hypothétique de particules qui sont leurs propres antiparticules.

Des projets comme Majorana Demonstrator et EXO-200 visent à déterminer si les neutrinos sont bien des particules de Majorana en observant le comportement de ce que l'on appelle la double désintégration bêta sans neutrinos.

Certains noyaux radioactifs se désintègrent simultanément, émettant deux électrons et deux neutrinos. Si les neutrinos étaient leurs propres antiparticules, ils s'annihileraient après une désintégration binaire, et les scientifiques n'auraient plus qu'à observer les électrons.

La recherche des neutrinos de Majorana pourrait aider à expliquer pourquoi il existe une asymétrie matière-antimatière. Les physiciens suggèrent que les neutrinos de Majorana peuvent être lourds ou légers. Les poumons existent à notre époque, et les lourds existaient immédiatement après le Big Bang. Les neutrinos lourds de Majorana se sont désintégrés de manière asymétrique, résultant en une infime quantité de matière qui a rempli notre Univers.

L'antimatière est utilisée en médecine

PET, PET (Positron Emission Topography) utilise des positrons pour produire des images haute résolution du corps. Les isotopes radioactifs émetteurs de positrons (comme ceux que nous avons trouvés dans les bananes) se fixent sur des produits chimiques comme le glucose qui sont présents dans le corps. Ils sont injectés dans la circulation sanguine, où ils se désintègrent naturellement en émettant des positrons. Ceux-ci, à leur tour, rencontrent les électrons du corps et s'annihilent. L'annihilation produit des rayons gamma qui sont utilisés pour construire l'image.

Les scientifiques du projet ACE du CERN étudient l'antimatière comme candidat potentiel pour le traitement du cancer. Les médecins ont déjà compris qu'ils pouvaient diriger des faisceaux de particules vers des tumeurs qui n'émettent leur énergie qu'après avoir traversé en toute sécurité des tissus sains. L'utilisation d'antiprotons ajoutera une bouffée d'énergie supplémentaire. Cette technique s'est avérée efficace dans le traitement des hamsters, mais n'a pas encore été testée chez l'homme.

L'antimatière pourrait se cacher dans l'espace

L'une des façons dont les scientifiques tentent de résoudre le problème de l'asymétrie matière-antimatière est de rechercher l'antimatière qui reste du Big Bang.

Le spectromètre magnétique alpha (AMS) est un détecteur de particules situé sur la Station spatiale internationale qui recherche de telles particules. L'AMS contient des champs magnétiques qui courbent la trajectoire des particules cosmiques et séparent la matière de l'antimatière. Ses détecteurs doivent détecter et identifier ces particules lors de leur passage.

Les collisions de rayons cosmiques produisent généralement des positrons et des antiprotons, mais la probabilité de créer un atome d'antihélium reste extrêmement faible en raison de la quantité gigantesque d'énergie nécessaire à ce processus. Cela signifie que l'observation d'un seul nucléole d'antihélium serait une preuve puissante de l'existence d'une quantité gigantesque d'antimatière ailleurs dans l'univers.

Les gens apprennent en fait comment propulser des engins spatiaux avec un propulseur d'antimatière

Juste un peu d'antimatière peut produire d'énormes quantités d'énergie, ce qui en fait un carburant populaire pour les navires de science-fiction futuristes.

La propulsion de fusée sur l'antimatière est hypothétiquement possible ; la principale limitation est de collecter suffisamment d'antimatière pour que cela se produise.

Jusqu'à présent, il n'existe aucune technologie pour produire en masse ou collecter de l'antimatière dans les volumes requis pour une telle application. Cependant, les scientifiques travaillent sur l'imitation d'un tel mouvement et le stockage de cette même antimatière. Un jour, si nous trouvions un moyen de produire de grandes quantités d'antimatière, leurs recherches pourraient contribuer à faire du voyage interstellaire une réalité.

Extrait de symmetrymagazine.org

« L'antimatière n'est physiquement et chimiquement pas différente de la matière. En fait, c'est la même chose, seulement retournée. Pour les procyonides, nos manuels de physique et de chimie sont tout aussi valables que pour nous. Ils décrivent les mêmes schémas, les mêmes réactions avec les mêmes éléments. Seulement pour eux notre matière est l'antimatière. La question est de savoir de quel côté regarder. (Krzysztof Borun, Antimir, 1963)

L'idée de la possibilité de l'existence de l'antimatière s'est exprimée à l'ère de la physique classique, à la fin du XIXe siècle.

L'hydrogène et l'antihydrogène sont complètement identiques dans leur structure - ils se composent d'un hadron et d'un lepton. Dans le premier cas, un proton chargé positivement, composé de trois quarks (deux up et un down), et un électron chargé négativement forment un atome d'hydrogène, qui nous est bien connu. L'antihydrogène est constitué d'un antiproton chargé négativement, qui, à son tour, est construit à partir de trois antiquarks correspondants et d'un positron chargé positivement (antiparticule d'électron)

L'annihilation d'un électron et d'un positron dans le cas des basses énergies génère au moins deux photons (cela est dû à la conservation de la quantité de mouvement). Ce processus peut être représenté schématiquement à l'aide du diagramme dit de Feynman. Lorsqu'un certain seuil d'énergie est dépassé, l'annihilation peut se produire avec la naissance de photons "virtuels", qui à nouveau se désintègrent rapidement en paires d'électrons et de positrons

Modèle informatique de l'annihilation de la matière et de l'antimatière. Les lignes rouges sont des photons volant dans des directions opposées lors de l'annihilation des positrons, et les lignes jaunes sont des particules produites lors de l'annihilation des antiprotons. Les traces viennent d'un point - c'est la preuve que les antiprotons et les positrons forment des atomes d'antihydrogène (expérience ATHENA au CERN)

Chambre à projection temporelle de l'expérience PANDA au centre international FAIR à Darmstadt

La découverte des antiparticules est considérée à juste titre comme la plus grande réussite de la physique au XXe siècle. Elle a prouvé pour la première fois l'instabilité de la matière au niveau le plus profond, le plus fondamental. Avant cela, tout le monde était sûr que la substance de notre monde est composée de particules élémentaires qui ne disparaissent jamais et ne renaissent pas. Cette simple image est devenue une chose du passé, lorsqu'il y a près de 80 ans, il a été prouvé qu'un électron et son jumeau chargé positivement disparaissent lorsqu'ils se rencontrent, donnant naissance à des quanta de rayonnement électromagnétique. Plus tard, il s'est avéré que les particules du micromonde ont généralement tendance à se transformer les unes dans les autres, et de bien des façons. La découverte des antiparticules a marqué le début d'une transformation radicale des idées fondamentales sur la nature de la matière.

L'idée de la possibilité de l'existence d'antimatière a été exprimée pour la première fois en 1898 - l'Anglais Arthur Schuster a publié une note très vague dans la revue Nature, probablement inspirée par la découverte récente de l'électron. "Si l'électricité négative existe", a demandé Schuster, "alors pourquoi n'y aurait-il pas d'or chargé négativement, du même jaune, avec le même point de fusion et avec le même spectre?" Et puis, pour la première fois dans la littérature scientifique mondiale, les mots « antiatome » et « antimatière » apparaissent dans ses mots. Schuster a supposé que les anti-atomes sont attirés les uns vers les autres par les forces gravitationnelles, mais repoussés par la matière ordinaire.

Les antiélectrons ont été remarqués pour la première fois dans l'expérience, encore une fois, avant leur découverte officielle. Cela a été fait par le physicien de Leningrad Dmitry Skobeltsin, qui dans les années 1920 a étudié la diffusion des rayons gamma par les électrons dans une chambre à brouillard placée dans un champ magnétique. Il a remarqué que certaines pistes d'origine apparemment électronique sont pliées dans le mauvais sens. Le point, bien sûr, est qu'un quantum de rayons gamma, lorsqu'il interagit avec la matière, peut donner naissance à un électron et à un positron, qui se tordent dans des directions opposées dans un champ magnétique. Skobeltsin, bien sûr, ne le savait pas et ne pouvait pas expliquer l'effet étrange, mais en 1928, il en fit rapport lors d'une conférence internationale à Cambridge. Par une curieuse coïncidence, un an plus tôt, le jeune physicien théoricien Paul Dirac a été élu au conseil d'administration du St. John's College de Cambridge, dont les recherches ont finalement contribué à expliquer ces anomalies.

Équation de Dirac

En 1926, l'Autrichien Erwin Schrödinger a formulé une équation décrivant le comportement des particules non relativistes qui obéissent à la mécanique quantique, une équation différentielle dont les solutions déterminent les états de la particule. L'équation de Schrödinger décrit une particule qui n'a pas son propre moment cinétique - spin (en d'autres termes, ne se comporte pas comme une toupie). Or, en 1926, on savait déjà que les électrons ont un spin qui peut avoir deux valeurs différentes : en gros, l'axe d'un sommet d'électron n'est orienté dans l'espace que dans deux directions opposées (un an plus tard, une preuve similaire est obtenue pour les protons ). Au même moment, le théoricien suisse Wolfgang Pauli a généralisé l'équation de Schrödinger pour l'électron afin qu'elle permette de tenir compte du spin. Ainsi, le spin a d'abord été découvert expérimentalement, puis artificiellement imposé à l'équation de Schrödinger.

Dans la mécanique relativiste d'Einstein, la formule de l'énergie d'une particule libre semble plus compliquée qu'en newtonien. Traduire la formule d'Einstein en une équation quantique n'est pas difficile ; Schrödinger et trois de ses contemporains l'ont fait. Mais les solutions d'une telle équation montrent que la probabilité de trouver une particule à un certain point peut s'avérer négative, ce qui n'a aucune signification physique. D'autres problèmes surgissent, dus au fait que la structure mathématique de la nouvelle équation (elle s'appelle l'équation de Klein-Gordon) s'écarte de la théorie de la relativité (en langage formel, elle n'est pas relativistement invariante).

C'est à ce problème que Dirac réfléchit en 1927. Pour préserver l'invariance, il a inclus dans l'équation non pas les carrés des opérateurs d'énergie et de quantité de mouvement, mais leur puissance première. Pour écrire l'équation sous cette forme, il a fallu introduire dans un premier temps des matrices 4x4 plus complexes que celles de Pauli. Quatre solutions égales ont été trouvées pour cette équation, et dans deux cas l'énergie de l'électron est positive, et dans deux cas elle est négative.

C'est là qu'un hic est survenu. La première paire de solutions a été interprétée simplement - il s'agit d'un électron ordinaire dans chacun des états de spin possibles. Si nous ajoutons un champ électromagnétique à l'équation de Dirac, alors il s'avérera facilement que l'électron a le bon moment magnétique. Ce fut un succès gigantesque pour la théorie de Dirac qui, sans aucune hypothèse supplémentaire, dotait l'électron à la fois d'un spin et d'un moment magnétique. Cependant, au début, personne ne pouvait décider quoi faire du reste des décisions. Dans la mécanique newtonienne et einsteinienne, l'énergie d'une particule libre n'est jamais négative, et les particules avec des énergies inférieures à zéro étaient déroutantes. De plus, il n'était pas clair pourquoi les électrons ordinaires ne passent pas dans les états d'énergie évidemment plus faible prédits par la théorie de Dirac, alors que les électrons dans les coquilles d'atomes ne manquent pas une telle opportunité.

Recherche de sens

Deux ans plus tard, Dirac a trouvé une très belle interprétation des solutions paradoxales. Conformément au principe de Pauli, deux électrons (ainsi que toute particule de spin demi-entier) ne peuvent pas être simultanément dans le même état quantique. Selon Dirac, tous les états à énergie négative sont normalement déjà remplis, et la transition vers ces états depuis la zone des énergies positives est interdite par le principe de Pauli. Par conséquent, la mer d'électrons de Dirac à énergie négative est, en principe, inobservable, mais seulement tant qu'il n'y a pas de vacances libres. Une telle lacune peut être créée si un électron passe d'un niveau d'énergie négatif à un niveau positif (par exemple, par un quantum suffisamment puissant de rayonnement électromagnétique). Étant donné que la mer d'électrons perdra une charge négative, la lacune résultante (Dirac l'a appelée un trou) se comportera dans le champ électrique comme une particule avec une charge positive. Selon la même logique, la chute d'un électron de l'état normal dans un tel trou entraîne la disparition à la fois de l'électron et du trou, accompagnée de l'émission d'un photon.

Et comment les trous de Dirac se manifestent-ils dans le monde réel ? Au début, Dirac les a identifiés avec des protons, dont il a parlé en 1930 dans Nature. C'était au moins étrange - un proton est 2000 fois plus lourd qu'un électron. Le futur académicien et lauréat du prix Nobel Igor Tamm et le futur père de la bombe atomique Robert Oppenheimer ont avancé une objection plus sérieuse, notant qu'alors chaque atome d'hydrogène est menacé d'extinction, et cela ne se produit pas dans la nature. Dirac abandonna bientôt cette hypothèse et publia un article en septembre 1931 dans lequel il prédit que les trous, s'ils pouvaient être détectés, se révéleraient être des particules complètement nouvelles inconnues de la physique expérimentale. Il a suggéré de les appeler anti-électrons.

Le modèle de Dirac est entré dans l'histoire après la création de l'électrodynamique quantique et de la théorie quantique des champs, qui attribuent la même réalité aux particules et aux antiparticules. De l'électrodynamique quantique, il résulte également que la rencontre d'un électron libre avec un antiélectron entraîne la naissance d'au moins une paire de quanta, de sorte que dans cette partie le modèle est tout simplement incorrect. Comme cela arrive souvent, l'équation de Dirac s'est avérée bien plus intelligente que l'interprétation proposée par son créateur.

Découverte de l'antiélectron

Comme déjà mentionné, les positrons ont en fait été observés par Dmitry Skobeltsin. En 1930, Chung-Yao Chao, un étudiant diplômé du California Institute of Technology, les a rencontrés alors qu'il enquêtait sur le passage des rayons gamma à travers une feuille de plomb. Dans cette expérience, des paires électron-positon sont apparues, après quoi les positrons nouveau-nés se sont annihilés avec les électrons des coquilles atomiques et ont généré un rayonnement gamma secondaire, qui a été enregistré par Chao. Cependant, de nombreux physiciens ont douté des résultats et ce travail n'a pas été reconnu.

Chao était dirigé par le président de Caltech, le lauréat du prix Nobel Robert Milliken, qui travaillait à l'époque sur les rayons cosmiques (il a inventé ce terme). Millikan les considérait comme un flux de rayons gamma et s'attendait donc à ce qu'ils divisent les atomes en électrons et en protons (le neutron a été découvert plus tard, en 1932). Millikan a suggéré de tester cette hypothèse à Karl Anderson, un autre de ses étudiants diplômés et également un ami de Chao. Lui, comme Skobeltsin, a décidé d'utiliser une chambre à brouillard reliée à un électroaimant très puissant. Anderson a également obtenu des traces de particules chargées, qui extérieurement ne différaient pas des traces d'électrons, mais étaient courbées dans la direction opposée. Il les attribua d'abord aux électrons, qui ne se déplacent pas de haut en bas, mais de bas en haut. Pour le contrôle, il a installé une plaque de plomb de 6 mm d'épaisseur au centre de la chambre. Il s'est avéré qu'au-dessus de la plaque, les amplitudes des impulsions des particules avec des pistes de type électronique sont plus de deux fois supérieures à celles de la partie inférieure de la chambre - il s'ensuit donc que toutes les particules se déplacent de haut en bas. La même technique a prouvé que les particules avec un tourbillon anormal ne peuvent pas être des protons - elles resteraient coincées dans l'écran de plomb.

En fin de compte, Anderson est arrivé à la conclusion que presque toutes les pistes anormales appartiennent à une sorte de particules lumineuses avec une charge positive. Cependant, Milliken n'y croyait pas et Anderson ne voulait pas publier dans la presse scientifique sans l'approbation de son patron. Par conséquent, il s'est limité à une courte lettre à la revue populaire Science News Letter et y a joint une photographie de la piste anormale. L'éditeur, qui était d'accord avec l'interprétation d'Anderson, a suggéré d'appeler la nouvelle particule le positron. Cette photographie a été publiée en décembre 1931.

Rappelons maintenant que Dirac a publié l'hypothèse de l'existence de l'antiélectron en septembre dernier. Cependant, Anderson et Millikan ne savaient presque rien de sa théorie et en comprenaient à peine l'essence. Par conséquent, il n'est pas venu à l'esprit d'Anderson d'identifier le positon avec l'antiélectron de Dirac. Il tenta longtemps de convaincre Millikan qu'il avait raison, mais, n'ayant pas réussi, il publia en septembre 1932 une note dans la revue Science au sujet de ses observations. Cependant, dans ce travail, nous ne parlons toujours pas d'un jumeau d'électrons, mais uniquement d'une particule chargée positivement d'un type inconnu, dont la masse est bien inférieure à la masse d'un proton.

La prochaine étape vers l'identification de l'antiélectron a été faite sur le lieu de sa prédiction - à Cambridge. Le physicien anglais Patrick Blackett et son collègue italien Giuseppe Occhialini étaient engagés dans l'étude des rayons cosmiques dans le célèbre laboratoire Cavendish, dirigé par le grand Rutherford. Occhialini propose d'équiper la chambre à brouillard d'un circuit électronique (inventé par son compatriote Bruno Rossi) qui allume la chambre en cas de fonctionnement simultané de compteurs Geiger, dont l'un est installé au-dessus de la chambre et l'autre en dessous. À l'automne 1932, les partenaires ont reçu environ 700 photographies de traces pouvant être attribuées à des particules chargées d'origine cosmique. Parmi eux se trouvaient également des paires de pistes en forme de V générées par des électrons et des positrons divergeant dans un champ magnétique.

Blackett était au courant de la prédiction de Dirac sur l'antiélectron, mais n'a pas pris sa théorie au sérieux. Dirac lui-même n'a pas non plus vu sa particule hypothétique dans les photographies de Blackett. En conséquence, Blackett et Occhialini n'ont interprété correctement leurs photographies que plus tard, lorsqu'ils ont lu la publication de septembre d'Anderson. Ils présentèrent leurs découvertes dans un article au modeste titre "Photographs of Penetrating Radiation Tracks" qui parvint aux rédacteurs des Actes de la Royal Society le 7 février 1933. À ce moment-là, Anderson avait pris connaissance des concurrents de Cavendish et avait présenté ses résultats de manière assez adéquate dans un article de quatre pages, "The Positive Electron", paru dans Physical Review le 28 février. Puisque la priorité d'Anderson a été établie par des publications antérieures, il a reçu seul le prix Nobel pour la découverte du positon (en 1936, avec le découvreur des rayons cosmiques, Victor Hess). Blackett a reçu ce prix 12 ans plus tard (avec le libellé "Pour l'amélioration des méthodes d'observation des chambres à brouillard et pour les découvertes dans le domaine de la physique nucléaire et du rayonnement cosmique"), mais Occhialini a été contourné pour le prix - on pense que pour la politique les raisons.

Bientôt, la recherche sur le positron a progressé à pas de géant. Le physicien parisien Jean Thibaut a observé des paires électron-positon d'origine terrestre, générées par la décélération des quanta gamma du plomb à partir d'une source radioactive. Il a prouvé que pour les deux particules, le rapport de la charge à la masse en valeur absolue coïncide avec une très grande précision. En 1934, Frédéric Joliot et Irène Curie découvrent que les positrons sont également produits lors de la désintégration radioactive. Ainsi, au milieu des années 1930, l'existence d'antiélectrons prédite par Dirac était devenue un fait établi.

Antinucléons

Le mécanisme de génération de positrons par les rayons cosmiques est établi depuis longtemps. La majeure partie du rayonnement cosmique primaire est constituée de protons d'une énergie supérieure à 1 GeV qui, lorsqu'ils entrent en collision avec les noyaux des atomes dans la haute atmosphère, donnent naissance à des pions et à d'autres particules instables. Les pions donnent lieu à de nouvelles désintégrations, au cours desquelles apparaissent des quanta gamma qui, en ralentissant dans la matière, produisent des paires électron-positon.

Des protons suffisamment rapides, lorsqu'ils entrent en collision avec des noyaux atomiques, sont capables de générer directement des antiprotons et des antineutrons. Au milieu du XXe siècle, les physiciens ne doutaient plus de la possibilité de telles transformations et cherchaient leurs traces dans les rayons cosmiques secondaires. Les résultats de certaines observations pourraient sembler être interprétés comme une annihilation d'antiprotons, mais sans certitude absolue. Par conséquent, des physiciens américains ont proposé un projet de construction d'un accélérateur de protons de 6 GeV, sur lequel, selon la théorie, il était possible d'obtenir les deux types d'antinucléons. Cette machine, appelée bevatron, a été lancée au Lawrence Berkeley Laboratory en 1954. Un an plus tard, Owen Chamberlain, Emilio Segre et leurs collègues ont obtenu des antiprotons en lançant des protons sur une cible en cuivre. Un an plus tard, un autre groupe de physiciens de la même installation a enregistré des antineutrons. En 1965, des noyaux d'antideutérium composés d'un antiproton et d'un antineutron ont été synthétisés au CERN et au Laboratoire national de Brookhaven. Et au début des années 1970, un message est venu de l'URSS indiquant que des noyaux d'antihélium-3 (deux antiprotons et un antineutron) et d'antitritium (un antiproton et deux antineutrons) ont été synthétisés à l'accélérateur de protons de 70 GeV de l'Institut de physique des hautes énergies ; en 2002, plusieurs noyaux légers d'antihélium ont également été obtenus au CERN. Les choses n'ont pas encore avancé, la synthèse d'au moins un noyau d'anti-or est donc une question d'avenir pas trop lointain.

antimatière artificielle

Les noyaux sont des noyaux, mais la véritable antimatière nécessite des atomes à part entière. Le plus simple d'entre eux est un atome d'antihydrogène, un antiproton plus un positron. De tels atomes ont été créés pour la première fois au CERN en 1995, 40 ans après la découverte de l'antiproton. Il est fort possible qu'il s'agisse des premiers atomes d'antihydrogène au cours de l'existence de notre Univers après le Big Bang - dans des conditions naturelles, la probabilité de leur naissance est presque nulle et l'existence de civilisations technologiques extraterrestres est toujours en question.

Cette expérience a été réalisée sous la direction du physicien allemand Walter Ohlert. A cette époque, l'anneau de stockage LEAR fonctionnait au CERN, dans lequel étaient stockés des antiprotons de basse énergie (seulement 5,9 MeV) (il a fonctionné de 1984 à 1996). Dans une expérience du groupe d'Ohlert, des antiprotons ont été dirigés vers un jet de xénon. Après la collision d'antiprotons avec les noyaux de ce gaz, des paires électron-positon sont apparues, et certains positons extrêmement rarement (avec une fréquence de 10 à 17%!) Combinés avec des antiprotons dans des atomes d'antihydrogène se déplaçant presque à la vitesse de la lumière. Les anti-atomes non chargés ne pouvaient plus tourner à l'intérieur de l'anneau et s'envolaient vers les deux détecteurs. Dans le premier dispositif, chaque antiatome était ionisé et le positon libéré annihilé avec un électron, donnant naissance à une paire de quanta gamma. L'antiproton est allé vers le deuxième détecteur, qui a eu le temps de déterminer sa charge et sa vitesse avant la disparition de cette particule. Une comparaison des données des deux détecteurs a montré qu'au moins 9 atomes d'antihydrogène ont été synthétisés dans l'expérience. Bientôt, des atomes d'antihydrogène relativistes ont également été créés au Fermilab.

Depuis l'été 2000, un nouvel anneau AD (Antiproton Decelerator) fonctionne au CERN. Il reçoit des antiprotons d'une énergie cinétique de 3,5 GeV, qui sont ralentis à une énergie de 100 MeV puis utilisés dans diverses expériences. L'antimatière y a été reprise par les groupes ATHENA et ATRAP, qui ont commencé en 2002 à produire des dizaines de milliers d'atomes d'antihydrogène à la fois. Ces atomes apparaissent dans des bouteilles électromagnétiques spéciales (appelées pièges de Penning), où les antiprotons provenant de l'AD et les positrons produits lors de la désintégration du sodium-22 sont mélangés. Certes, la durée de vie des antiatomes neutres dans un tel piège ne se mesure qu'en microsecondes (mais positrons et antiprotons peuvent y être stockés pendant des mois !). À l'heure actuelle, des technologies pour un stockage plus long de l'antihydrogène sont en cours de développement.

Dans un entretien avec PM, le responsable du groupe ATRAP (le projet ATHENA est déjà terminé), le professeur Gerald Gabriels de l'Université de Harvard, a souligné que, contrairement à LEAR, l'installation AD permet de synthétiser relativement lentement (comme disent les physiciens, à froid ) atomes d'antihydrogène, avec lesquels il est beaucoup plus facile de travailler. Aujourd'hui, les scientifiques tentent de refroidir encore plus les anti-atomes et de transférer leurs positrons à des niveaux d'énergie inférieurs. Si cela réussit, il sera alors possible de maintenir plus longtemps les anti-atomes dans des pièges de force et de déterminer leurs propriétés physiques (par exemple, les caractéristiques spectrales). Ces indicateurs peuvent être comparés aux propriétés de l'hydrogène ordinaire et enfin comprendre en quoi l'antimatière diffère de la matière. Il n'y a toujours pas de fin au travail.

En physique et en chimie, l'antimatière est une substance composée d'antiparticules, c'est-à-dire un antiproton (un proton avec une charge électrique négative) et un antiélectron (un électron avec une charge électrique positive). L'antiproton et l'antiélectron forment un atome d'antimatière, tout comme un électron et un proton forment un atome d'hydrogène.

Concept général de la matière et de l'antimatière

Tout le monde connaît la réponse à la question de savoir ce qu'est la matière, c'est-à-dire qu'il s'agit d'une substance composée de molécules et d'atomes. Les atomes eux-mêmes, à leur tour, sont constitués d'électrons et de noyaux formés de protons et de neutrons. Comprendre la question, qu'est-ce que la matière, permet de comprendre ce qu'est l'antimatière. Il est compris comme une substance dont les particules constitutives ont une charge électrique opposée. Dans le cas d'une paire neutron-antineutron, leurs charges sont nulles, mais les moments magnétiques sont de sens opposé.

La principale propriété de l'antimatière est sa capacité à s'annihiler lorsqu'elle rencontre la matière ordinaire. À la suite du contact de ces substances, la masse disparaît et est complètement convertie en énergie. Selon la théorie cosmique, il y a une quantité égale de matière et d'antimatière dans l'Univers, ce fait découle d'un raisonnement théorique. Cependant, ces substances sont séparées les unes des autres par d'énormes distances, puisque chacune de leurs rencontres conduit à des phénomènes cosmiques grandioses de destruction de la matière.

L'histoire de la découverte de l'antimatière

L'antimatière a été découverte en 1932 par le physicien nord-américain Carl Andersen, qui étudiait les rayons cosmiques et était capable de détecter le positon (l'antiparticule de l'électron). Cette découverte lui vaut le prix Nobel en 1936. Par la suite, des antiprotons ont été découverts expérimentalement. Cela s'est produit en 2006 grâce au lancement du satellite Pamela, dont la mission était d'étudier les particules émises par le Soleil.

Par la suite, l'humanité a appris à créer elle-même de l'antimatière. À la suite de nombreuses expériences, il a été démontré que la collision de la matière et de l'antimatière détruit les deux substances et génère des rayons gamma. Ces résultats expérimentaux ont été prédits par Albert Einstein.

Utilisation de l'antimatière

Où peut-on utiliser l'antimatière ? Tout d'abord, l'antimatière est un excellent combustible. Une seule goutte d'antimatière est capable de fournir de l'énergie, ce qui suffira à alimenter une grande ville pendant la journée. De plus, cette source d'énergie est respectueuse de l'environnement.

Dans le domaine de la médecine, l'utilisation principale de l'antimatière est la tomographie par rayonnement de positrons. Les rayons gamma, qui résultent de l'annihilation de la matière et de l'antimatière, sont utilisés pour détecter les tumeurs cancéreuses dans le corps. L'antimatière est également utilisée dans le traitement du cancer. Actuellement, des recherches sont en cours sur l'utilisation d'antiprotons pour la destruction complète des tissus cancéreux.

Combien coûte un gramme d'antimatière et où est-il stocké ?

La production d'antimatière à l'aide d'accélérateurs de particules élémentaires nécessite des coûts énergétiques énormes. De plus, l'antimatière est difficile à stocker, car elle s'autodétruira au moindre contact avec la matière ordinaire. Par conséquent, il est stocké dans des champs électromagnétiques puissants, qui nécessitent également des coûts énergétiques importants pour leur création et leur maintenance.

En relation avec ce qui précède, nous pouvons conclure que l'antimatière est la substance la plus chère sur terre. Son gramme est évalué à 62,5 milliards de dollars américains. Selon d'autres estimations fournies par le CERN, il faudrait plusieurs centaines de millions de francs suisses pour créer un milliardième de gramme d'antimatière.

L'espace est la source de l'antimatière

À ce stade de développement technologique, la création artificielle d'antimatière est une méthode inefficace et coûteuse. Compte tenu de cela, les scientifiques de la NASA envisagent de collecter de l'antimatière dans la ceinture de Van Allen de la Terre avec des champs magnétiques. Cette ceinture est située à plusieurs centaines de kilomètres d'altitude au-dessus de la surface de notre planète et a une épaisseur de plusieurs milliers de kilomètres. Cette région de l'espace contient un grand nombre d'antiprotons, qui se forment à la suite de réactions de particules élémentaires provoquées par des collisions de rayons cosmiques dans les couches supérieures de l'atmosphère terrestre. La quantité de matière ordinaire est faible, de sorte que les antiprotons peuvent y rester assez longtemps.

Une autre source d'antimatière est constituée par des ceintures de rayonnement similaires autour des planètes géantes du système solaire : Jupiter, Saturne, Neptune et Uranus. Les scientifiques portent une attention particulière à Saturne qui, selon eux, devrait produire un grand nombre d'antiprotons résultant de l'interaction de particules cosmiques chargées avec les anneaux de glace de la planète.

Des travaux sont également en cours dans le sens d'un stockage plus économique de l'antimatière. Ainsi, le professeur Masaki Gori (Masaki Hori) a annoncé la méthode développée de confinement des antiprotons à l'aide de radiofréquences, qui, selon lui, réduira considérablement la taille du conteneur d'antimatière.

Presque tout ce que nous détectons sur Terre et avec l'aide de satellites artificiels est de la matière. L'antimatière est obtenue sur Terre à l'aide d'accélérateurs de haute énergie. Ainsi, par exemple, des antiprotons, un antideutéron, un antihélium et des antiatomes ont été obtenus.
L'observation directe de l'antimatière par des méthodes astronomiques est impossible, car les photons produits par l'interaction des particules d'antimatière entre elles sont indiscernables des photons produits par l'interaction des particules de matière. La raison en est que le photon est une particule vraiment neutre et. En principe, la matière peut être distinguée de l'antimatière en observant les neutrinos ν et les antineutrinos, mais de telles observations sont actuellement irréalistes.
S'il y avait des zones dans l'environnement immédiat de la Terre dans lesquelles l'antimatière dominait, cela devrait se manifester sous la forme de γ-quanta d'annihilation, qui se forment lors de l'annihilation de la matière et de l'antimatière. Les rayons cosmiques sont un argument important en faveur de la prédominance de la matière sur l'antimatière. Ce sont des particules de matière - protons, électrons, noyaux atomiques constitués de protons et de neutrons.
La formation de particules d'antimatière est observée à la suite de l'interaction de particules de haute énergie de rayonnement cosmique avec l'atmosphère terrestre. Les antiparticules se forment dans des zones à forte concentration d'énergie. Par exemple, la formation d'antiparticules se produit dans les noyaux des galaxies actives. En règle générale, dans de tels cas, des particules d'antimatière apparaissent avec des particules de matière. L'étape suivante est la formation et l'annihilation des particules de matière et d'antimatière. Par exemple, un photon d'énergie supérieure à 1 MeV peut former une paire électron-positon dans le champ d'un noyau atomique. Le positron résultant s'annihile lors de sa rencontre avec un électron, formant plus souvent 2 et moins souvent 3 γ-quanta.
Le problème de l'existence de l'antimatière dans l'Univers est un problème fondamental de la physique, qui est lié au problème de la formation et du développement de l'Univers.
Il existe diverses hypothèses quant à la raison pour laquelle l'univers observable est composé presque entièrement de matière. Existe-t-il des régions de l'univers où l'antimatière prédomine ? L'antimatière peut-elle être utilisée ? La raison de l'asymétrie apparente de la matière et de l'antimatière dans l'univers visible est l'un des plus grands mystères non résolus de la physique moderne. Le processus par lequel cette asymétrie entre les particules et les antiparticules se produit est appelé baryogenèse.
Jusque dans les années 1950, l'opinion dominante était que l'univers avait la même quantité de matière et d'antimatière. Cependant, au milieu des années 1960, les travaux dans le domaine de la théorie du Big Bang ont ébranlé cette vision. En effet, si dans les premiers instants de l'existence d'un Univers chaud et dense, le nombre de particules et d'antiparticules était le même, alors leur annihilation conduirait au fait qu'il ne resterait que du rayonnement dans l'Univers. À l'heure actuelle, la plupart des physiciens s'accordent à dire qu'à la suite de la violation de CP dans l'Univers, dans les premiers instants de l'évolution des particules, un peu plus d'antiparticules se sont formées - environ une particule pour 10 9 paires particule-antiparticule. En conséquence, après l'annihilation, il restait un petit nombre de particules.
Une autre possibilité d'expliquer la dominance de la matière dans l'Univers « proche » est de supposer que l'antimatière est concentrée dans les régions les plus mal explorées de l'Univers. En 1979, Floyd Stecker a suggéré que l'asymétrie de la matière et de l'antimatière pourrait survenir spontanément dans les premiers instants après le Big Bang, lorsque la matière et l'antimatière se sont séparées.
Étant donné que le rayonnement électromagnétique interagit de la même manière avec la matière et l'antimatière, les planètes, les étoiles et les galaxies constituées de matière et d'antimatière dans le rayonnement électromagnétique se ressemblent. Par conséquent, d'autres méthodes sont nécessaires pour rechercher l'antimatière dans l'Univers. L'une de ces méthodes est l'observation d'antinoyaux dans l'espace. Ceux-ci devraient être des antinoyaux avec un nombre de masse A > 4. S'il était possible d'enregistrer des noyaux d'antihélium près de la Terre, nous recevrons des preuves suffisamment solides en faveur de l'existence de régions à forte teneur en antimatière dans l'Univers.
Pourquoi chercher des noyaux d'antihélium ou des noyaux plus lourds pour rechercher de l'antimatière ? Le fait est que les antiprotons peuvent être formés par l'interaction de protons ultrarelativistes ou d'autres noyaux de rayons cosmiques. Le spectre d'énergie de ces antiprotons (généralement appelés secondaires) devrait présenter un large maximum dans la région de 2 GeV. D'autres sources d'antiprotons, dites primaires, peuvent être l'annihilation d'hypothétiques particules supersymétriques, dont la matière noire est censée être constituée - les neutralinos et/ou l'évaporation de trous noirs "primaires". L'annihilation de paires de neutralinos peut conduire à la création de jets quark-antiquark, suivis de leur hadronisation et de la formation d'antiprotons. Des trous noirs primordiaux peuvent s'être formés dans l'univers primitif. De tels trous noirs d'une masse de 10 14-15 peuvent évaporer les particules de manière assez intensive (rayonnement de Hawking). La contribution de ces antiprotons primaires au spectre d'énergie enregistré peut être tentée pour être détectée dans la région de basse énergie< 1 ГэВ.
Le flux d'antiprotons secondaires peut être estimé en fonction du modèle accepté de la Galaxie. Elle atteint un maximum à une énergie de ~10 GeV. Dans la gamme des énergies jusqu'à plusieurs centaines de GeV, on espère obtenir des informations à la fois sur la baryogénèse et/ou l'annihilation des particules supersymétriques et/ou des WIMP par la nature du spectre.
La formation d'antideutérons sous l'action des rayons cosmiques est beaucoup moins probable. Le spectre des antideutérons secondaires devrait être déplacé vers des énergies plus élevées par rapport au spectre des antiprotons secondaires et diminuer rapidement avec une énergie décroissante. Pour les antideutérons primordiaux produits par l'annihilation des particules de matière noire et/ou l'évaporation des trous noirs primordiaux, le maximum du spectre est attendu à l'énergie< 1 ГэВ. Таким образом, области первичных и вторичных антидейтронов должны быть хорошо разделены.
La probabilité de formation de noyaux d'antihélium sous l'action des rayons cosmiques est extrêmement faible. En effet, pour cela, deux antiprotons et deux antineutrons doivent se former en un même endroit et quasi simultanément, et leurs vitesses relatives doivent être faibles. En 1997, Pascal Chardonnet a estimé la probabilité d'un tel événement. Selon ses estimations, un noyau d'antihélium peut être formé pour 10 15 protons de rayons cosmiques ultrarelativistes. Le temps d'attente moyen pour un tel événement est de 15 milliards d'années, ce qui est comparable à l'âge de l'univers.
Si dans l'Univers, à un stade précoce de l'évolution, des régions de l'espace se sont effectivement formées dans lesquelles la matière ou l'antimatière prédomine, alors elles devraient être séparées, car. A la limite de ces régions, une légère pression se forme, qui sépare la matière et l'antimatière. L'annihilation devrait avoir lieu à la frontière entre les régions contenant de la matière et de l'antimatière et, par conséquent, des quanta gamma d'annihilation devraient être émis. Cependant, les télescopes à rayons gamma modernes ne détectent pas un tel rayonnement. Sur la base de la sensibilité des télescopes, des estimations ont été faites. Selon eux, les régions d'antimatière ne peuvent pas être à moins de 65 millions d'années-lumière. Ainsi, il n'y a pas de telles régions non seulement dans notre galaxie, mais aussi dans notre amas de galaxies, qui comprend, en plus de la Voie lactée, 50 autres galaxies.
L'enregistrement des noyaux d'antihélium formés à de telles distances est un problème complexe. Il n'est pas si facile pour un noyau d'antihélium d'atteindre le détecteur d'une si longue distance et d'être enregistré. En particulier, il peut "s'emmêler" dans les champs magnétiques galactiques et intergalactiques et ainsi ne jamais voler loin du lieu de sa formation. De plus, l'antihélium sera constamment en danger d'annihilation. Et enfin, le détecteur n'est pas une cible trop grande pour être facilement touchée à une distance aussi gigantesque. Par conséquent, l'efficacité de détection des noyaux d'antihélium est extrêmement faible.
Dans les conditions de "voyage" de l'antihélium, il y a beaucoup d'incertitude, ce qui ne permet pas d'estimer la probabilité de détecter des noyaux. Il y a toujours la possibilité que si le détecteur était un peu plus sensible, la découverte se produirait.
Il est seulement clair que le temps de "voyage" d'un antinoyau de petite énergie peut être inférieur au temps d'existence de l'Univers. Par conséquent, il est nécessaire de rechercher des antinoyaux à haute énergie. De plus, de tels noyaux sont plus susceptibles de vaincre le vent cosmique galactique.
Quant aux positrons et antiprotons, ils peuvent aussi être émis par d'hypothétiques régions d'antimatière et contribuer aux spectres mesurés près de la Terre. Comparés aux antiprotons, les positrons sont plus difficiles à détecter. Ceci est dû au fait que les flux de protons, qui sont à l'origine du bruit de fond, sont 10 3 supérieurs aux flux de positrons. Les signaux des positrons provenant des régions d'antimatière peuvent être "noyés" dans les signaux des positrons résultant d'autres processus. Pendant ce temps, l'origine des positrons dans les rayons cosmiques n'est pas non plus complètement connue. Y a-t-il des positrons primaires dans les rayons cosmiques ? Existe-t-il un lien entre un excès d'antiprotons et de positrons ? Pour clarifier la situation, il est nécessaire de mesurer les spectres des positrons dans une large gamme d'énergie.
Le premier lancement d'un instrument pour l'étude des rayons cosmiques dans la haute atmosphère à l'aide d'un ballon a été réalisé en 1907 par Victor Hess. Jusqu'au début des années 1950, l'étude des rayons cosmiques a été à l'origine des découvertes les plus importantes en physique des particules. Des antiprotons ont été observés dans de telles expériences depuis 1979 (Bogomolov, E. A. et al. 1979, Proc. 16th Int. Cosmic Ray Conf. (Kyoto), vol. 1, p. 330; Golden, R. L. et al. 1979, Phys. Rev ., 43, 1196). Ils ont ouvert de nouvelles possibilités dans l'étude de l'antimatière et de la matière noire.Dans les études modernes des rayons cosmiques, une technique développée pour les expériences sur les accélérateurs est utilisée.
Jusqu'à récemment, presque toutes les informations sur les antiparticules dans les rayons cosmiques étaient obtenues à l'aide de détecteurs lancés dans les hautes couches de l'atmosphère dans des ballons. Dans le même temps, on a soupçonné qu'il y avait plus d'antiprotons qu'il n'en résulte d'estimations de la probabilité de leur apparition en raison de l'interaction des rayons cosmiques avec le milieu interstellaire (antiprotons secondaires). Les mécanismes proposés pour expliquer les antiprotons "en excès" donnaient des prédictions différentes pour les spectres d'énergie des antiprotons. Cependant, le court temps de vol du ballon et la présence de restes de l'atmosphère terrestre ont limité les possibilités de telles expériences. Les données avaient une grande incertitude, de plus, ne s'étendaient pas au-delà de 20 GeV en énergie.
Pour enregistrer les antiparticules, de gros ballons (jusqu'à 3 millions de mètres cubes) sont utilisés, capables de soulever des détecteurs lourds pesant jusqu'à 3 tonnes à une hauteur d'environ 40 km.En règle générale, comme Montgolfier, ils sont ouverts en bas et perdent l'hélium lorsque la température extérieure baisse. Dans la plupart des cas, la durée du vol ne dépasse pas 24 heures. De plus, la température atmosphérique, après une diminution rapide de zéro à 20-25 km, commence à augmenter, atteignant un maximum à une altitude d'environ 40 km, après quoi elle recommence à diminuer. Étant donné que le volume du ballon diminue avec une diminution de la température de l'air extérieur, la hauteur maximale d'ascension ne peut pas être supérieure à environ 40 km. A cette altitude, l'atmosphère est encore assez dense, et le flux d'antiprotons d'énergies de plusieurs dizaines de GeV, qui se forment lors de l'interaction des rayons cosmiques primaires avec l'atmosphère résiduelle, dépasse le flux d'antiprotons produits dans le milieu galactique. Pour des énergies plus élevées des particules enregistrées, les erreurs deviennent trop importantes pour obtenir des résultats fiables.
Récemment, des vols plus longs (jusqu'à 20 jours) ont commencé à être effectués. Ils utilisent également des ballons ouverts, mais les pertes d'hélium ont été considérablement réduites en lançant des ballons à de très hautes latitudes, près des pôles, pendant la journée polaire. Cependant, la masse de leur charge utile, lorsqu'elle vole à 40 km d'altitude, ne dépasse pas 1 tonne, ce qui est trop faible pour mesurer les flux d'antimatière à haute énergie. Pour la mise en œuvre de vols super longs en ballons (environ 100 jours), des ballons fermés sont également censés être utilisés. Ils sont plus épais et plus lourds, ne perdent pas d'hélium et peuvent supporter la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur. Ils peuvent soulever des outils relativement légers, moins de 1 tonne.

Riz. 20.1. Lancement d'un ballon-sonde avec équipement physique.

Riz. 20.2. Détecteur de rayonnement cosmique BESS-Polar II. Spectromètre (1) avec panneaux solaires (2).

La recherche d'antihélium à l'aide de spectromètres sur ballons a été réalisée dans le cadre de l'expérience BESS (B alloon-borne E expérience avec S supraconducteur S spectromètre) (Fig. 20.2). De 1993 à 2000, des spectromètres BESS ont été lancés à plusieurs reprises dans la haute atmosphère du nord du Canada. La durée des vols était d'environ une journée. Le spectromètre a été constamment amélioré et la sensibilité augmentée. La sensibilité totale pour le rapport hélium/antihélium obtenue dans cette série de vols est d'environ 6,8×10 −7 dans la gamme de dureté de 1 à 14 GV. Dans l'expérience BESS-TeV (2001), la plage de rigidité du spectromètre a été portée à 500 GV et une sensibilité de 1,4 × 10 −4 a été atteinte. Augmenter les statistiques en 2004-2008. des vols de plusieurs jours de spectromètres améliorés (0,6-20 GV) ont été effectués dans l'Antarctique. En 2004-2005, lors du vol BESS-Polar I, qui a duré 8,5 jours, une sensibilité de 8×10 -6 a été atteinte. En 2007-2008 Lors du vol BESS-Polar II (durée de mesure 24,5 jours), une sensibilité de 9,8 × 10 −8 a été atteinte. La sensibilité totale, prenant en compte tous les vols BESS, atteint 6,7×10 -8 . Pas un seul noyau d'antihélium n'a été trouvé.
Le spectromètre magnétique utilisé sur le vol BESS-Polar II se compose d'un aimant solénoïdal supraconducteur à paroi ultra-mince, d'un tracker central (JET/IDC), d'un hodoscope de temps de vol (TOF) et d'un détecteur Cherenkov (Fig. 20.3).

Riz. 20.3. Vue en coupe du spectromètre expérimental BESS-Polar II.

L'hodoscope à temps de vol permet de mesurer la vitesse (β) et les pertes d'énergie (dE/dx). Il est constitué de compteurs à scintillation supérieur et inférieur en plastique, composés de 10 et 12 bandes de scintillation (100×950×10 mm). La résolution temporelle du système de temps de vol est d'environ 70 ps. De plus, il y a un troisième compteur à scintillation (Middle-TOF), qui est situé à l'intérieur du solénoïde et se compose de 64 tiges de scintillateur en plastique. Il vous permet d'abaisser le seuil d'énergie d'enregistrement, dû aux particules qui ne peuvent pas voler à travers le bas du solénoïde.
Les chambres à dérive sont situées dans un champ magnétique uniforme. A partir de 28 points, chacun avec une précision de 200 µm, on calcule la courbure de la trajectoire d'une particule entrant dans le spectromètre, ce qui permet de déterminer sa rigidité magnétique R = pc/Ze et le signe de la charge.
Le compteur Chérenkov à aérohélium permet de séparer les signaux des antiprotons et des antideutérons du fond e - /μ - .

Riz. 20.4. Identification des particules dans la configuration BESS.

L'identification des particules est effectuée par la masse (Fig. 20.4), qui est liée à la rigidité R, à la vitesse des particules β et à la perte d'énergie dE/dx mesurée à l'aide de compteurs à temps de vol et de chambres à dérive par le rapport

Pour cela, les régions correspondantes sont sélectionnées sur les distributions bidimensionnelles dE/dx – |R| et β-1-R.

Ceinture terrestre de rayonnement antiproton

La collaboration PAMELA a découvert une ceinture de rayonnement autour de la Terre dans la région de l'anomalie de l'Atlantique Sud. Les spectres des antiprotons et des protons ont été mesurés directement dans la ceinture de rayonnement et à l'extérieur de la ceinture de rayonnement (Fig. 20.5, 20.6).
On montre que les antiprotons, qui ont été enregistrés par les installations de détection installées sur les ballons et les satellites, sont d'origine secondaire. Ils se forment à la suite de l'interaction des rayons cosmiques galactiques avec la matière interstellaire ou l'atmosphère dans la réaction pp → ppp. Cependant, une contribution beaucoup plus importante est apportée par la désintégration des antineutrons albédo (antineutrons dont le flux est dirigé loin de la Terre), qui surviennent dans la réaction
pp → ppn . Ces antineutrons traversent le champ géomagnétique et se désintègrent, formant des antiprotons → + e + + ν e . Certains des antiprotons générés peuvent être capturés par la magnétosphère, formant la ceinture de rayonnement antiproton. Tout comme la principale source de la ceinture de rayonnement protonique est la désintégration de l'albédo des neutrons, la désintégration des antineutrons conduit à la formation d'une ceinture d'antiprotons.
Il ressort des données expérimentales que la densité d'antiprotons dans la ceinture de rayonnement est supérieure de 3 à 4 ordres de grandeur à la densité d'antiprotons à l'extérieur de la ceinture de rayonnement. La forme du spectre des antiprotons formés directement à la suite de l'interaction des rayons cosmiques galactiques coïncide pratiquement avec la forme du spectre des antiprotons à l'extérieur de la ceinture de rayonnement des antiprotons.
Le problème de la détection de l'antimatière dans l'Univers est loin d'être résolu. Une recherche active d'antimatière est envisagée dans les programmes de télescopes spatiaux de Fermi et al.