Nous avons besoin d'antimatière. L'antimatière : une percée en physique ou une menace pour tous les êtres vivants ? Où est-elle, cette antimatière

ANTIMATIÈRE, une substance constituée d'atomes dont les noyaux ont une charge électrique négative et sont entourés de positrons - des électrons avec une charge électrique positive. Dans la matière ordinaire, à partir de laquelle le monde qui nous entoure est construit, les noyaux chargés positivement sont entourés d'électrons chargés négativement. La matière ordinaire, pour la distinguer de l'antimatière, est parfois appelée co-substance (du grec. koinos- ordinaire). Cependant, dans la littérature russe, ce terme n'est pratiquement pas utilisé. Il convient de souligner que le terme "antimatière" n'est pas tout à fait correct, puisque l'antimatière est aussi la matière, sa variété. L'antimatière a les mêmes propriétés inertielles et crée la même attraction gravitationnelle que la matière ordinaire.

En parlant de matière et d'antimatière, il est logique de commencer par les particules élémentaires (subatomiques). Chaque particule élémentaire correspond à une antiparticule ; les deux ont presque les mêmes caractéristiques, sauf qu'ils ont la charge électrique opposée. (Si la particule est neutre, alors l'antiparticule est également neutre, mais elles peuvent différer par d'autres caractéristiques. Dans certains cas, la particule et l'antiparticule sont identiques.) Ainsi, un électron - une particule chargée négativement - correspond à un positon, et l'antiparticule d'un proton avec une charge positive est un antiproton chargé négativement. Le positron a été découvert en 1932 et l'antiproton en 1955 ; ce sont les premières des antiparticules découvertes. L'existence d'antiparticules a été prédite en 1928 sur la base de la mécanique quantique par le physicien anglais P. Dirac.

Lorsqu'un électron et un positron entrent en collision, ils s'annihilent, c'est-à-dire les deux particules disparaissent et deux quanta gamma sont émis à partir du point de leur collision. Si les particules en collision se déplacent à faible vitesse, l'énergie de chaque rayon gamma est de 0,51 MeV. Cette énergie est "l'énergie au repos" de l'électron, ou sa masse au repos exprimée en unités d'énergie. Si les particules en collision se déplacent à grande vitesse, l'énergie des rayons gamma sera plus grande en raison de leur énergie cinétique. L'annihilation se produit également lorsqu'un proton entre en collision avec un antiproton, mais le processus dans ce cas est beaucoup plus compliqué. Un certain nombre de particules à courte durée de vie naissent en tant que produits intermédiaires de l'interaction; cependant, après quelques microsecondes, les neutrinos, les quanta gamma et un petit nombre de paires électron-positon restent les produits finaux des transformations. Ces paires peuvent éventuellement s'annihiler, créant des rayons gamma supplémentaires. L'annihilation se produit également lorsqu'un antineutron entre en collision avec un neutron ou un proton.

Puisqu'il existe des antiparticules, la question se pose de savoir si des antinoyaux peuvent être formés à partir d'antiparticules. Les noyaux des atomes de matière ordinaire sont constitués de protons et de neutrons. Le noyau le plus simple est le noyau de l'isotope ordinaire de l'hydrogène 1 H ; c'est un seul proton. Le noyau de deutérium 2 H est constitué d'un proton et d'un neutron ; ça s'appelle un deuton. Un autre exemple de noyau simple est le noyau 3 He, composé de deux protons et d'un neutron. L'antideutéron, constitué d'un antiproton et d'un antineutron, a été obtenu au laboratoire en 1966 ; Le noyau anti-3He, composé de deux antiprotons et d'un antineutron, a été obtenu pour la première fois en 1970.

Selon la physique moderne des particules élémentaires, avec la disponibilité de moyens techniques appropriés, il serait possible d'obtenir les antinoyaux de tous les noyaux ordinaires. Si ces antinoyaux sont entourés du nombre approprié de positrons, ils forment des antiatomes. Les anti-atomes auraient presque exactement les mêmes propriétés que les atomes ordinaires ; ils formeraient des molécules, ils pourraient former des solides, des liquides et des gaz, y compris des substances organiques. Par exemple, deux antiprotons et un noyau anti-oxygène, ainsi que huit positrons, pourraient former une molécule anti-eau, semblable à l'eau ordinaire H 2 O, dont chaque molécule est constituée de deux protons de noyaux d'hydrogène, un noyau d'oxygène et huit électrons. La théorie moderne des particules est capable de prédire que l'anti-eau gèlera à 0°C, bouillira à 100°C et se comportera autrement comme de l'eau ordinaire. En poursuivant un tel raisonnement, nous pouvons arriver à la conclusion que l'anti-matière construite à partir d'antimatière serait extrêmement similaire au monde ordinaire qui nous entoure. Cette conclusion sert de point de départ aux théories d'un univers symétrique basées sur l'hypothèse que l'univers a une quantité égale de matière ordinaire et d'antimatière. Nous vivons dans cette partie de celui-ci, qui se compose de matière ordinaire.

Si deux morceaux identiques de substances de type opposé sont mis en contact, alors l'annihilation des électrons avec des positrons et des noyaux avec des antinoyaux se produira. Dans ce cas, des quanta gamma apparaîtront, par l'apparence desquels on peut juger de ce qui se passe. Puisque la Terre, par définition, est composée de matière ordinaire, il n'y a pas de quantité appréciable d'antimatière en elle, à l'exception du petit nombre d'antiparticules produites dans les grands accélérateurs et dans les rayons cosmiques. Il en va de même pour tout le système solaire.

Les observations montrent que seule une quantité limitée de rayonnement gamma se produit dans notre galaxie. De cela, un certain nombre de chercheurs concluent qu'il n'y a pas de quantités notables d'antimatière. Mais cette conclusion n'est pas incontestable. Il n'existe actuellement aucun moyen de déterminer, par exemple, si une étoile proche donnée est composée de matière ou d'antimatière ; une étoile d'antimatière émet exactement le même spectre qu'une étoile ordinaire. De plus, il est tout à fait possible que la matière raréfiée qui remplit l'espace autour de l'étoile et qui est identique à la matière de l'étoile elle-même soit séparée des régions remplies de matière du type opposé - de très fines "couches de Leidenfrost" à haute température. Ainsi, on peut parler d'une structure « cellulaire » de l'espace interstellaire et intergalactique, dans laquelle chaque cellule contient soit de la matière, soit de l'antimatière. Cette hypothèse est étayée par des recherches modernes montrant que la magnétosphère et l'héliosphère (espace interplanétaire) ont une structure cellulaire. Des cellules avec des aimantations différentes et parfois aussi avec des températures et des densités différentes sont séparées par des gaines de courant très fines. D'où la conclusion paradoxale que ces observations ne contredisent pas l'existence d'antimatière même au sein de notre Galaxie.

S'il n'y avait pas auparavant d'arguments convaincants en faveur de l'existence de l'antimatière, aujourd'hui les succès de l'astronomie des rayons X et des rayons gamma ont changé la donne. Des phénomènes associés à une libération d'énergie massive et souvent très désordonnée ont été observés. Très probablement, la source d'une telle libération d'énergie était l'annihilation.

Le physicien suédois O. Klein a développé une théorie cosmologique basée sur l'hypothèse de symétrie entre matière et antimatière, et est arrivé à la conclusion que les processus d'annihilation jouent un rôle décisif dans l'évolution de l'Univers et la formation de la structure des galaxies.

Il devient de plus en plus évident que la principale théorie alternative - la théorie du "big bang" - contredit sérieusement les données d'observation et que la place centrale dans la résolution des problèmes cosmologiques dans un avenir proche sera probablement occupée par la "cosmologie symétrique".

« 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 image simple 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 amusante coïncidence, un jeune physicien théoricien, Paul Dirac, avait été élu au conseil du St. John's College de Cambridge, un an plus tôt, et dont les recherches finiraient par 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. Cette équation a quatre solutions égales, 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 une torsion anormale 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. Pendant longtemps, il essaya de convaincre Millikan qu'il avait raison, mais, n'ayant pas réussi, en septembre 1932, il publia 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 Thibault 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 une interview avec PM, le chef 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 la synthèse relativement lente (comme disent les physiciens, froide) 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.

antimatière est le contraire de la matière normale. Plus précisément, les particules subatomiques d'antimatière ont des propriétés opposées aux propriétés de la matière caractéristiques de la matière ordinaire.

La charge électrique de ces particules est inversée. L'antimatière a été créée avec la matière après le Big Bang, mais l'antimatière est rare dans l'univers d'aujourd'hui et les scientifiques ne savent pas pourquoi.

Pour mieux comprendre l'antimatière, il faut en savoir plus sur la matière. La matière est composée d'atomes, qui sont les unités de base d'éléments chimiques tels que l'hydrogène, l'hélium ou l'oxygène. Chaque élément a un certain nombre d'atomes : l'hydrogène a un atome ; l'hélium a deux atomes; etc.

L'univers de l'atome est complexe, car il regorge de particules exotiques que les physiciens commencent à peine à comprendre. D'un point de vue simple, les atomes ont des particules, appelées protons, et en leur sein.

Qu'obtenez-vous lorsque vous combinez la théorie de la relativité et la mécanique quantique ? Il n'y a pas de blagues ici - juste un concept révolutionnaire inventé par le lauréat du prix Nobel P. Dirac après avoir découvert une étrange divergence dans l'équation.

En physique des particules, chaque type de particule a une antiparticule associée avec la même masse mais des charges physiques opposées (telles que la charge électrique). Par exemple, l'antiparticule d'un électron est un antiélectron (souvent appelé positron). Alors qu'un électron a une charge électrique négative, un positron a une charge électrique positive et est naturellement généré dans certains types de désintégration radioactive. L'inverse est également vrai : l'antiparticule du positon est l'électron.

Certaines particules, comme le photon, sont leur propre antiparticule. Sinon, pour chaque paire de particules avec des antiparticules, l'une est désignée comme matière normale (dont nous sommes faits), et l'autre (généralement préfixée par "anti"), comme dans l'antimatière.

Les paires particule-antiparticule peuvent s'annihiler, produisant des photons ; puisque les charges de la particule et de l'antiparticule sont opposées, la charge totale est conservée. Par exemple, les positrons produits par désintégration radioactive naturelle s'annihilent rapidement avec des électrons, produisant des paires de rayons gamma, un processus utilisé dans la tomographie par émission de positrons.

Les lois de la nature sont presque symétriques en ce qui concerne les particules et les antiparticules. Par exemple, un antiproton et un positron peuvent former un atome d'antihydrogène, dont on pense qu'il a les mêmes propriétés qu'un atome d'hydrogène. Cela conduit à la question de savoir pourquoi la formation de la matière après le Big Bang a conduit à la création d'un univers composé presque entièrement de matière.

Où est-il?

Les particules d'antimatière sont créées lors de collisions à ultra-haute vitesse. Dans les premiers instants après le Big Bang, seule l'énergie existait. Au fur et à mesure que l'univers se refroidissait et se dilatait, des particules de matière et d'antimatière étaient produites en quantités égales. Pourquoi la matière en est venue à dominer est une question que les scientifiques n'ont pas encore découverte.

Une théorie suggère que plus de matière normale que d'antimatière a été créée au début, de sorte que même après une annihilation mutuelle, il restait suffisamment de matière normale pour former des étoiles, des galaxies et nous.

Découverte de l'antimatière

L'antimatière a été découverte pour la première fois en 1928 par le physicien anglais Paul Dirac, que le New Scientist a appelé "le plus grand théoricien britannique, comme Sir Isaac Newton".

Quelle était exactement l'équation de Dirac ? En bref, il s'agissait d'une vaste extension de la théorie de la relativité d'Einstein combinée à la mécanique quantique d'une manière jamais réalisée mathématiquement auparavant. Dirac a découvert que cette équation prend en compte l'existence des particules telles que nous les connaissons, ainsi que des particules chargées de manière opposée avec des moments magnétiques opposés à ceux des particules de matière correspondantes. Il a appelé ces particules de charges opposées antiparticules ou antimatière.

Selon le magazine, Dirac a combiné l'équation de relativité restreinte d'Einstein (qui dit que la lumière est la chose qui se déplace le plus rapidement dans l'univers) et la mécanique quantique (qui décrit ce qui se passe dans un atome). Il a découvert que l'équation fonctionnait pour les électrons avec une charge négative ou avec des charges positives.

Lorsque des particules d'antimatière interagissent avec des particules de matière, elles s'annihilent et produisent de l'énergie. Cela a conduit les ingénieurs à spéculer sur le fait que le moteur antimatière d'un vaisseau spatial pourrait être un moyen efficace d'explorer l'univers.

La NASA avertit qu'il y a un énorme piège à cette idée : il faut environ 100 milliards de dollars pour créer un milligramme d'antimatière.

"Pour être commercialement viable, ce prix devrait baisser d'environ 10 000 fois", a écrit l'agence. La génération d'énergie crée un autre casse-tête : "Il faut beaucoup plus d'énergie pour créer de l'antimatière que l'énergie qui peut être obtenue à partir d'une réaction d'antimatière."

Mais cela n'a pas empêché la NASA et d'autres groupes de travailler à l'amélioration de la technologie pour rendre possible la propulsion de l'antimatière.

La conjecture sur l'existence d'antiparticules, d'antimatière et peut-être même d'antimondes est apparue bien avant l'apparition de données expérimentales indiquant la possibilité de leur existence dans la nature.

1. Les premières hypothèses sur l'existence de l'antimatière

Pour la première fois, le concept d'"antimatière" a été inventé par le physicien anglais Arthur Schuster en 1898, presque immédiatement après la découverte de l'électron par Joseph Thomson. Schuster voulait vraiment que la symétrie triomphe dans la nature. Un électron, comme vous le savez, est une particule chargée négativement (ici, cependant, il convient de noter que la décision quelle charge appeler positive et quelle charge négative était le résultat d'un accord; les scientifiques pourraient également s'entendre sur la désignation inverse des signes de charge , et rien n'a changé par rapport à ce b), et Schuster a suggéré l'existence d'un analogue symétrique de l'électron, chargé positivement et appelé par lui l'antiélectron. De son hypothèse découle immédiatement l'idée de l'existence d'anti-atomes et d'anti-matière, d'où il est possible d'extraire les anti-électrons inventés par lui dans l'anti-expérience anti-Thomson par un champ électrique. Pendant plusieurs années, Schuster a tenté de convaincre les scientifiques environnants de la légitimité de sa conjecture ("Pourquoi n'y aurait-il pas d'or chargé négativement, aussi jaune que le nôtre", écrit-il dans son article de la revue La nature), mais personne n'a tenu compte de ses arguments. Le pragmatisme scientifique, établi au cours de nombreux siècles, suggérait que seule l'expérience devait être crue, et tout ce qui n'est pas confirmé par l'expérience est une fantaisie non scientifique. Et l'expérience a ensuite affirmé inexorablement que les électrons chargés négativement peuvent être extraits de la matière, tandis que ceux chargés positivement ne sont pas observés.

L'idée de Schuster a été oubliée et l'antimatière n'a été redécouverte par Paul Dirac que 30 ans plus tard. Il l'a également fait de manière hypothétique, mais était beaucoup plus convaincant que Schuster, montrant que l'existence de l'antimatière résout de nombreux problèmes non résolus accumulés à ce moment-là. Avant de passer aux idées de Dirac, il nous faudra rappeler à quelles nouvelles conclusions la physique est parvenue au cours de ces 30 années.

2. Création de l'atome par Niels Bohr

Au début du XXe siècle, il fallait repenser les lois de la physique. Dans un premier temps, ils se sont heurtés à l'impossibilité de décrire le spectre d'un corps absolument noir en utilisant uniquement les lois de Newton et de Maxwell, et un peu plus tard ils ont découvert que les lois classiques ne permettent pas de décrire un atome. Selon les chimistes, l'atome est indivisible et, de leur point de vue, ils ont tout à fait raison, puisque dans toutes les réactions chimiques, les atomes se « déplacent » simplement d'une molécule à l'autre, mais, probablement, on peut pardonner le blasphème des physiciens qui souhaitaient décomposez d'abord cet atome en composants, puis assemblez-les selon les lois strictes de la physique. En 1913, la décomposition de l'atome n'était pas mauvaise: personne ne doutait alors que, par exemple, l'atome d'hydrogène le plus simple soit constitué d'un proton chargé positivement, découvert expérimentalement par Rutherford un peu plus tard, et d'un électron. Il semblerait qu'il y ait tout ce qu'il faut pour assembler un atome : en plus du proton et de l'électron, il y a une force électrique d'attraction entre eux, qui devrait les maintenir ensemble. Il était possible d'assembler l'atome, mais pas de le maintenir longtemps dans un état stable : l'électron tombait inexorablement sur le proton et ne voulait pas rester dans l'orbite donnée. Niels Bohr a réussi à fixer ce système, pour cela il a abandonné les lois classiques de la mécanique pour décrire des systèmes à des distances de l'ordre de la taille d'un atome. Au contraire, Bohr a dû abandonner le concept d'un électron en tant que petite boule chargée solide et l'imaginer comme un nuage lâche, et pour le décrire, il était nécessaire de créer un nouvel appareil mathématique développé par de nombreux physiciens exceptionnels du début du XXe siècle et appelée "mécanique quantique".

Au milieu des années 1920, la mécanique quantique, qui remplaçait la mécanique classique lorsqu'il fallait décrire quelque chose de très petit, était déjà solidement établie. L'équation de Schrödinger, basée sur des idées quantiques, a décrit avec succès de nombreuses expériences, par exemple une expérience avec le spectre d'une lampe à hydrogène (l'hydrogène chauffé brille non seulement avec une lumière blanche, mais avec un petit nombre de raies spectrales) placé dans un champ magnétique dans lequel chaque ligne est légèrement divisée pour quelques lignes supplémentaires.

3. Le problème des énergies négatives

Au moment où ils croyaient inconditionnellement à la mécanique quantique, une autre théorie s'est formée - (mécanique relativiste), qui fonctionne à des vitesses très élevées. Lorsque les vitesses des corps sont comparables à la vitesse de la lumière, les lois de la mécanique de Newton doivent également être corrigées. Les scientifiques ont tenté de franchir deux cas limites : les grandes vitesses (la théorie de la relativité) et les très petites distances (la mécanique quantique). Il s'est avéré qu'il n'y a rien de difficile à écrire une équation qui satisfait à la fois la mécanique quantique et la théorie de la relativité. Une généralisation de l'équation de Schrödinger au cas des systèmes relativistes a été proposée indépendamment par Klein, Gordon et Fock (ce dernier est notre compatriote). Mais les solutions de cette équation ne nous convenaient pas beaucoup. L'un des paradoxes de la solution est le paradoxe de Klein : pour des particules très rapides frappant une barrière élevée, à partir de laquelle, en théorie, elles devraient être réfléchies, la probabilité de sauter par-dessus la barrière, selon cette équation, ne fait qu'augmenter avec sa hauteur - une conclusion qui contredit le bon sens.

Une autre absurdité de l'équation relativiste était que des particules aux énergies négatives apparaissaient parmi les solutions de l'équation. Qu'est-ce qu'il y a de si terrible à ça ? Imaginez qu'avec l'aide de la mécanique quantique, nous ayons organisé notre monde. Il semblait y avoir un sol sur lequel on pouvait se tenir fermement, et nous créons du confort : nous accrochons des tableaux aux murs, nous mettons des livres sur les étagères. Toutes nos décorations sont exactement soumises à la mécanique quantique, elles ont toutes une énergie positive, et si nous accrochons mal quelque chose, elles tomberont par terre. Mais, en essayant d'améliorer la mécanique quantique, pour la rendre plus correcte, nous avons découvert qu'il n'y a pas de genre dans notre monde. Au lieu d'un plancher, il y a un abîme béant (énergies négatives) où tout doit tomber. Il faut rendre hommage à l'endurance des physiciens de l'époque : ils n'avaient pas peur que le monde s'effondre sous leurs yeux, mais ont essayé de résoudre ce problème.

Le problème a été résolu par Paul Dirac, qui a entrepris de décrire une particule plus complexe que celle qui décrit l'équation de Klein-Gordon-Fock, l'électron. Un électron ne peut pas être décrit par une fonction, il faut en prendre deux à la fois, et cette paire ne peut pas être divisée, et il faut écrire un système d'équations. Il semblerait que le problème ne soit devenu que plus compliqué (et à première vue cette complication ne résout pas le problème principal), mais Dirac a essayé de compléter la solution. Pour les électrons, le principe de Pauli fonctionne, qui stipule que deux électrons ne peuvent pas être placés dans le même état : aucun effort ne peut presser le deuxième électron dans un électron déjà occupé. Dirac, entreprenant cette tâche, espérait apparemment utiliser précisément cette propriété: si sous le niveau du sol, tous les états sont déjà remplis d'électrons, alors il n'y aura nulle part où tomber. Il semblerait que la tâche soit sans espoir : il faut combler l'abîme d'une profondeur infinie avec des électrons. Et Dirac se contente de hausser les épaules : « Pourquoi devrions-nous nous en préoccuper ? Nous supposerons que la nature s'en est déjà occupée (et elle est toute-puissante), tout a déjà été inondé, et notre plancher est là. Ainsi, le problème des énergies négatives était résolu !

4. Antimatière

Cependant, en écrivant son équation, Dirac se heurte à un nouveau problème : il s'avère que deux fonctions ne suffisent pas pour une description relativiste d'un électron, il faut en écrire quatre ! Quelles sont ces deux fonctions supplémentaires pour un électron ? Après un peu de réflexion, Dirac s'est rendu compte que des bulles - des trous pouvaient se former sur notre sol inondé (la nature, bien sûr, est omnipotente, mais elle peut se permettre de ne pas être tout à fait parfaite et de permettre quelques défauts). Étonnamment, une telle bulle se comporte exactement de la même manière qu'un électron qui, par analogie avec une bulle, ressemble à une goutte suspendue au-dessus du sol : ils ont la même masse, ils sont tous les deux chargés. La gouttelette suspendue a une énergie positive et est chargée négativement, en fait, c'est notre électron. Et la bulle (dans le monde souterrain) a aussi une énergie positive, mais son signe de charge est inversé - c'est un antiélectron (ou positron). Pour le décrire, deux fonctions supplémentaires étaient nécessaires.

Dirac a été inspiré par sa découverte. Il était convaincu que les antiparticules étaient réelles, bien qu'elles n'aient jamais été observées auparavant dans une expérience. Des antiparticules ont été découvertes plusieurs années plus tard, et ses collègues étaient sceptiques quant à l'idée de Dirac, malgré le succès évident de sa théorie (notez que les antiparticules ont également résolu le paradoxe de Klein). Dirac croyait apparemment inconditionnellement à sa théorie. Essayant de trouver une réponse à la critique de l'inobservabilité des positrons, il s'est vite rendu compte que les positrons ne peuvent pas vivre avec nous. S'ils surgissaient quelque part près de nous, ils s'annihileraient immédiatement avec les électrons environnants. Dès lors, il a assez raisonnablement suggéré que si notre système solaire est composé d'électrons et de particules en général, alors il n'y a pas de place pour les antiparticules, il faut les chercher dans d'autres galaxies qui ne sont pas en contact avec la nôtre. Maintenant, nous pensons que, très probablement, les antigalaxies n'existent pas : la raison en est que l'antimatière est légèrement différente de la matière.

Les positrons inventés par Dirac furent bientôt découverts par Karl Anderson en . Ils sont nés de photons cosmiques énergétiques associés à des électrons, mais avant l'annihilation qui a suivi, ils ont réussi à voler sur une certaine distance et à laisser des traces. Fait intéressant, le positron aurait pu être découvert 5 ans plus tôt par l'excellent physicien russe Dmitry Skobeltsin, qui a vu le positron, mais lui-même ne pouvait pas croire en sa découverte. Toutes les particules doivent avoir des antiparticules, à l'exception de celles qui sont vraiment neutres, comme le photon (pour le photon, l'antiparticule est elle-même), et aujourd'hui elles sont toutes ouvertes. Nous ne les voyons que dans des expériences spéciales. Par conséquent, l'antimatière est souvent perçue comme un concept complètement abstrait, peut-être beau, mais on ne sait pas pourquoi un concept inventé. En effet, tout ce qui a été discuté précédemment n'est que le fait de l'existence d'antiparticules, mais dans la nature qui nous entoure il n'y en a presque pas, et à quoi bon même s'ils ont appris à les obtenir en laboratoire ? Mais ne vous précipitez pas pour tirer des conclusions ! Nous avons déjà appris non seulement à obtenir des antiparticules, mais aussi à les utiliser pour nos besoins.

5. Application de l'antimatière

L'antimatière ne semble pas affecter notre vie quotidienne. Néanmoins, aujourd'hui, nous utilisons pour certains problèmes assez pratiques au moins l'antiparticule la plus courante et relativement facile à obtenir - le positron. L'une des applications des positrons a été trouvée en médecine pour. Il existe des noyaux radioactifs qui émettent des positrons qui, après s'être envolés du noyau, s'annihilent instantanément avec les électrons des atomes voisins, se transformant en deux photons. Le patient prend une petite quantité d'un analogue du glucose avec une impureté radioactive (la dose est très faible et ne nuit pas à la santé), la substance semblable au glucose s'accumule dans les cellules en croissance active, qui sont des cellules cancéreuses. C'est dans la tumeur que se produiront de fréquentes annihilations électron-positon, et trouver l'endroit exact dans le corps d'où s'envolent souvent les photons reste un défi technique, et cela se fait sans contact : un dispositif de balayage qui capte les photons passe autour du patient . Cette méthode, qui vous permet de diagnostiquer et de localiser avec précision la tumeur, est appelée tomographie par émission de positrons.

Les positrons sont également utilisés en science des matériaux. À l'aide d'un microscope à positrons spécial, qui projette des positrons sur l'objet étudié, il est possible d'étudier les surfaces des semi-conducteurs pour leur utilisation en électronique. Et vous pouvez simplement étudier des échantillons de n'importe quel matériau, déterminer la "fatigue" des matériaux et y trouver des microdéfauts. Ainsi, ce domaine de connaissance apparemment complètement abstrait sert les intérêts très spécifiques des gens.

La disponibilité générale d'informations de toute nature, l'abondance de films de science-fiction dont les sujets sont liés à certains problèmes scientifiques ou pseudo-scientifiques, la popularité des romans à sensation - tout cela a conduit à la formation d'un nombre considérable de mythes sur notre monde. Par exemple, grâce à de nombreuses théories jouant sur les options de la Fin du Monde, le concept d'« antimatière » s'est largement répandu. Dans les œuvres d'art et les théories apocalyptiques, l'antimatière est comprise comme une certaine substance, dans ses propriétés opposées à la substance, la matière. Une sorte de trou noir, absorbant et détruisant tout ce qui tombe dans sa zone d'attraction. Qu'est-ce que l'antimatière, en fait, vous devez demander non pas aux écrivains, aux réalisateurs et à ceux qui sont obsédés par l'attente d'un effondrement général, mais aux scientifiques.

Les antiparticules et l'antimatière font partie intégrante de l'univers

Les scientifiques vous diront qu'il n'y a rien de terrible et de catastrophique dans l'antimatière. Au moins en raison du fait qu'il est impossible d'opposer matière et antimatière - ce qu'on appelle habituellement l'antimatière est en réalité une sorte de substance, c'est-à-dire la matière. Selon la classification scientifique, les particules de matière sont généralement appelées structures matérielles constituées d'atomes entourés de particules élémentaires. La partie de base de l'atome est le noyau, qui a une charge positive, et les particules élémentaires qui l'entourent sont chargées négativement. Ce sont les mêmes électrons, dont nous utilisons le nom dans la vie de tous les jours pour désigner l'électronique et les appareils électriques.

L'antimatière est constituée d'antiparticules, c'est-à-dire de structures matérielles dont les noyaux ont une charge négative et les particules qui les entourent ont une charge positive.

Les particules élémentaires positives n'ont été découvertes par les scientifiques qu'en 1932 et nommées positrons. Il n'y a pas non plus de drame fatal dans l'interaction des particules et des antiparticules, de la matière et de l'antimatière. L'annihilation se produit - le processus de transformation de la matière et de l'antimatière qui sont entrées dans une réaction en particules fondamentalement nouvelles qui n'existaient pas à l'origine et qui ont des propriétés différentes de celles des particules "mères" d'origine. Certes, «l'effet secondaire» peut être assez dangereux: l'annihilation s'accompagne de la libération d'une énorme quantité d'énergie. On estime que la réaction de 1 kilogramme de matière avec 1 kilogramme d'antimatière libérera une énergie égale à environ 43 mégatonnes de TNT explosé. La bombe nucléaire la plus puissante qui a explosé sur Terre avait un potentiel d'environ 58 mégatonnes de TNT.

Comment obtenir de l'antimatière n'est pas une question pour la science

La réalité de l'antimatière est un fait avéré. Les hypothèses théoriques des scientifiques ont été harmonieusement combinées avec l'image scientifique générale du monde, puis des antiparticules ont également été découvertes expérimentalement. Depuis près de cinquante ans, des antiparticules sont produites artificiellement dans la réaction d'interaction entre particules et antiparticules. En 1965, l'anti-deutéron est synthétisé, et 30 ans plus tard, l'anti-hydrogène est obtenu (sa différence avec l'hydrogène "classique" est que l'atome d'antimatière est constitué d'un positron et d'un antiproton). Les scientifiques sont allés plus loin et en 2010-2011 ont réussi à "attraper" les atomes d'antimatière en laboratoire. Soit seulement environ 40 atomes dans le «piège» et 172 millisecondes ont réussi à les retenir.

Les perspectives pratiques pour l'étude des antiparticules sont évidentes, étant donné l'énorme potentiel énergétique de l'interaction des particules et des antiparticules.

L'utilisation de l'antimatière et le lancement de ce processus en mode contrôlé suppriment en fait le problème de l'obtention d'énergie une fois pour toutes.

La difficulté, comme toujours, est d'ordre financier : les calculs montrent qu'aujourd'hui la production d'un seul gramme d'antimatière coûterait environ 60 000 milliards de dollars. Les sources d'énergie traditionnelles sont donc toujours pertinentes et la recherche doit être poursuivie. De plus, déjà au tournant des XX-XXI siècles, les astronomes et les astrophysiciens ont découvert les sources d'antimatière dans l'Univers. En particulier, des données ont été obtenues sur des flux réels de particules élémentaires chargées positivement (positrons) se déplaçant dans l'espace extra-atmosphérique. Plusieurs théories, plus ou moins étayées par des recherches pratiques, sont apparues qui expliquent les mécanismes de formation des antiparticules dans les conditions naturelles.

Une explication très populaire est que les antiparticules se forment dans un fort champ gravitationnel dans les trous noirs. Ce champ gravitationnel interagit avec la matière "ordinaire", à la suite du processus de "traitement" de la matière, des positrons sont obtenus - des particules qui, sous l'influence de la gravité, ont changé leur charge de négative à positive. Un autre concept renvoie aux éléments radioactifs naturels, dont les plus connus sont les supernovae. On suppose que ces réacteurs nucléaires naturels "produisent" précisément des antiparticules comme sous-produit. Il existe d'autres versions: par exemple, le processus de fusion de deux étoiles peut s'accompagner de la formation de particules de charge modifiée ou, au contraire, un tel effet peut provoquer la mort d'étoiles.

Où trouver de l'antimatière - un casse-tête pour les chercheurs

Ainsi, la présence d'antimatière est indiscutable. Mais, comme cela arrive habituellement dans l'étude des secrets de l'Univers, un problème fondamental s'est posé, que la science n'a pas encore été en mesure de résoudre à ce stade de son développement. Selon le principe de symétrie de la structure de l'univers , notre monde devrait contenir approximativement la même quantité de matière que d'antimatière, soit autant d'atomes constitués d'un noyau positif et de particules chargées négativement qu'il y a d'atomes avec un noyau négatif et des particules positives. Mais dans la pratique, aucune trace d'une accumulation à grande échelle d'antimatière (les théoriciens ont même trouvé un nom pour de tels amas - "antimonde") n'a été trouvée pour le moment.

Dans les observations astronomiques, l'antimatière n'est assez bien fixée que grâce au rayonnement gamma émis. Cependant, les optimistes ne perdent pas espoir - et pour cause.

Premièrement, la Terre peut être située dans cette partie "réelle" de l'Univers, qui est au maximum éloignée de la moitié "anti-matérielle". Ainsi, tout le point est des dispositifs d'observation insuffisamment puissants et parfaits. Deuxièmement, selon leur rayonnement électromagnétique, les objets constitués de matière et d'antimatière sont indiscernables, de sorte que la méthode d'observation optique est inutile ici. Troisièmement, les théories de compromis ne sont pas rejetées - par exemple, que l'Univers a une structure cellulaire, dans laquelle chaque cellule se compose de moitié de matière, moitié d'antimatière.

Alexandre Babitski