Text of A. Bay Mai 2002 Antimatière Antiparticules Antimondes Matière
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A. Bay Mai 2002 Antimatire Antiparticules Antimondes
Matire
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antiparticules et antimondes l'antimatire dans le laboratoire
et dans l'Univers Introduction: les symtries Prdiction thorique et
observation des antiparticules La production d'antiHydrogne au CERN
Utilisation des antiparticules: la tomographie par mission de
positons les moteurs antimatire A la recherche des antimondes, un
peu de Cosmologie
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les symtries syn-: ensemble metron : mesure
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MUSEE ROMAIN DE NYON ? Bacchus ou Ariane ? une symtrie binaire
partielle au temps des Romains
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Que signifie "symtrique" 6 configurations
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Que signifie "symtrique" un nombre infini de possibilits !
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Les choses deviennent esthtiquement plus intressantes quand la
configuration n'est pas "trop" symtrique. Cela est aussi vrai dans
le monde sub-microscopique des particules lmentaires ! GGDD GD
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Amalie (Emmy) Noether La physique des particules d'aujourd'hui
est base sur les travaux de En 1915 elle montre que: A toute
symtrie des lois de la physique, on doit pouvoir associer une loi
de conservation et rciproquement. voir http://www.emmynoether.com
Invariance par translation Conservation de la quantit de mouvement
Invariance de jaugeConservation de la charge
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La matire est constitue d atomes, les atomes contiennent le
noyau form de protons et de neutrons autour duquel orbitent les
lectrons Le modle atomique en ~1930 Dans le modle atomique, les
lectrons de charge ngative sont attirs par le noyau de charge
positive: la cohsion de l'atome est due la force
lectromagntique.
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Gense du concept d antiparticule Paul A. M. Dirac Albert
Einstein Max Planck En 1927 Dirac cherche marier la thorie de la
relativit et la thorie quantique
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L'quation de Dirac la solution de cette quation comporte 2
composantes: mais que reprsente l autre composante? la premire
permet de dcrire l lectron de charge Dirac postule que la seconde
composante dcrit une particule similaire l lectron, mais de charge
+ mais laquelle ? En 1927 la seule particule positive connue tait
le proton.
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Origine des deux solutions: Energie cintique classique: E = mv
2 /2 = p 2 /2m Th. de la relativit: un corps de masse m possde une
nergie au repos E = mc 2 Corps en mouvement: on ajoute une partie
cintique et on obtient l'quation E 2 = m 2 c 4 + p 2 c 2 2
solutions pour E:
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une nergie0 E 2 m c 2 particules e">
Particules Antiparticules positon charge lectron charge Pour
produire un couple lectron-positon il faut disposer dune ENERGIE
> 2 m c 2 particules et antiparticules ont des charges opposes
et une mme masse m ! miroir de charge positon et lectron se
matrialisent rayon gamma
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La dcouverte du positon les antiparticules des lectrons, nommes
positons, ont t observes au CAL-Tech par C. D. Anderson en 1932.
positonlectron
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Le dtecteur BEBC du CERN BEBC au Cern
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particule & antiparticule Quand un lectron rencontre un
positon, il y a ce sont deux rayons gamma d nergie >mc 2 chacun,
que lon peut observer avec des dtecteurs (les ondes
lectromagntiques: radio, infrarouge, visible, ultraviolet, gamma
rayons X, gamma) annihilation et on rcupre lnergie E= 2 m c 2
L'annihilation d'un couple e + + e >
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Dcouverte des antiparticules 1932 positon dans les rayons
cosmiques (Anderson et al.) 1947-1956 Kaon / antiKaon 1955
antiproton (Bevatron de Berkeley, Chamberlain et al.) 1956
antineutron (idem) 1950-1960 neutrino/antineutrino Plusieurs
substances radioactives sont mettrices de positons (en mdecine on
utilise l' O15, le F18)
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Le modle standard des particules
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Antiprotons et antineutrons dans le modle des quarks u d
NEUTRON: d d u u PROTON: d NEUTRON: d d u PROTON: d u u Protons et
neutrons sont constitus de 3 quarks Antiprotons et antineutrons de
3 antiquarks Q=+1 Q=-1 Q=0 miroir de charge
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Est-ce que l'on peut assembler des antiparticules pour former
des antiatomes Prochaine question: lantiH est-il stable et peut-il
former des antitoiles? p. ex. de l'antiHydrogne ?
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La formation d antiHydrogne ncessite la production......d un
antiproton dun positon . et leur assemblage pour l'assemblage,
antiproton et positon doivent voyagerlentement
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faisceau de p anneau dacclration p rapides p = protons (noyaux
dhydrogne) cible slection danti-p freinage des anti-p expriences
beaucoup de particules aprs le choc Production d antiprotons
lents
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Production dantiprotons lents au CERN acclration de protons
production et slection d antiprotons AD: freinage des antiprotons
utilisation
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production 2
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Production de lantiHydrogne
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Les aimants de lAD
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Assemblage de lantiHydrogne dans des piges de Penning pige
anti-p pige positons rgion de rencontre entre des antiprotons entre
des positons
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antiH
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On a t capable de crer des atomes d antiH Des tudes vont se
poursuivre pour en tudier les proprits Est-ce que les masses de l H
et de l antiH sont identiques ? Les spectres sont-ils gaux ?
Production et tude d' antiH 2 Production et tude d' antiD...
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Quels sont les usages des antiparticules ? 1) Aujourdhui:
utilisation en imagerie mdicale 2) A l tude: utilisation dans le
stockage de l'nergie, pour les voyages dans lespace, Petite pause
technologique
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Tomographie par mission de positons
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On injecte une substance mtaboliquement active mettrice des
positons La substance se concentre dans certaines rgions du corps
(tumeurs, rgions du cerveau actives,) Les positons s annihilent
avec les lectrons de la matire. Deux rayons gamma sont mis et
observs par des dtecteurs de particules dtecteurs de particules
gamma
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Isotopes pour TEP
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La tomographie par mission de positons lire des mots sur un
cran entendre des mots permet d tudier le comportement du
cerveau
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La tomographie par mission de positons permet de diagnostiquer
des tumeurs
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La tomographie positons permet de crer des images 3D de suivre
lvolution temporelle du mtabolisme dune substance
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Poids total2950 tonnes Premier tage Poids combustible2150
tonnes Pousse(intensit de la force)3300 tonnes 3300 > 2950 donc
la fuse se soulve Vitesse de combustion (dure 160 s)13 tonnes/sec
Vitesse jection2.8 km/s Le rendement est donn par lImpulsion
spcifique = Pousse / V.combustion = 253 sec et aussi par
(pousse/poids total) = 3300/2950, environ 1 Les voyages dans l
Espace le bon vieux SATURNE V:
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voyages interplantaires et pr-interstellaires seule
l'annihilation matire avec lantimatire aurait les qualits
ncessaires pour des donc, un moteur antimatire ? type de propulsion
impulsion spec. pousse/poids chimique 200-400 0.1 - 10 fission
nuclaire 500-3000 0.1 - 10 fusion nuclaire 10 4 - 10 5 10 5 - 10 2
annihilation 10 3 - 10 6 10 3 - 1
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Le moteur antimatire On produit (sur Terre) une certaine
quantit dantiprotons. On les introduit dans un rservoir: prototype:
HIPAT High Performance Antimatter Trap Le plasma est expuls grande
vitesse. Les antiprotons entrent progressivement en collision avec
des pastilles de HLi et provoquent des miniexplosions avec gnration
de plasma chaud.
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prototype HIPAT Pennsylvania State University stockage de 10 9
antiprotons
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ICAN II
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Antimatire pour les projets dans l'Espace V km/s MassegMasseg 1
g
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production d'antiprotons Le rendement de la production
d'antiprotons augmente d'un facteur 10 chaque 2.5 ans. 1 g/an m p =
1.67 10 -24 g 1955 2010
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Des rservoirs d'nergie antiparticules ? Los Alamos R&D dans
la production, stockage et utilisation de l'antimatire NASA SBIR
Phase II: Construction of a High Efficiency Antiproton
Degrader/Accumulator to Support Advanced Propulsion Research By the
end of the project, we intend to provide a potentially commercial
source of low energy antiprotons in portable traps to the research
community. USAF BAA Award: storage of 10 15 positrons for Earth-to
orbit propulsion
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Des toiles et galaxies pourraient exister, formes
dantimatire... Y a-t-il des mondes faits dantimatire ?
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Recherche de l antimatire antiHe, antiLi, dans les rayons
cosmiques Les rayons cosmiques sont des particules qui proviennent
du Cosmos et qui tombent sur la Terre, tout moment
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On recherche de lantimatire dans l espace proche...
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on recherche l'antimatire dans l'espace loign
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trs loign Satellites et tlescopes observent le ciel la
recherche d un signal d annihilation qui serait d la rencontre
fortuite de matire et antimatire... P + P -> gammas + e + + e -
-> gammas +
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Dans les deux cas il faut expliquer comment on a pu former un
Univers uniquement de matire (cas a) ou des lot avec une unique
espce (b). Cela implique qu'il existe un mcanisme de slection entre
les deux espces: MATIERE ANTIMATIERE jusqu prsent: aucun signal reu
du Cosmos. ? On a deux possibilits: a)il n'y a plus d'antimatire du
tout dans l'Univers b)des rgions de matire et d'antimatire existent
mais elles ne sont plus en contact
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Observation: l'antimatire a disparu Big Bang On pense qu il y a
15 milliards d annes le Big Bang a form lUnivers partir d une soupe
trs chaude et dense compose d'un nombre identique de On doit en
conclure qu'une lgre asymtrie sest donc manifeste juste aprs le Big
Bang qui a permis aux particules de devenir trs lgrement plus
abondante que les antiparticules. Il nous suffit d'un excs d'une
particule sur un milliard ! 1000000001 pour 1000000000 particuleset
d' antiparticules
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! Zoom sur le Big Bang ! L Univers contient aujourdhui matire
un peu de matire et beaucoup de lumire lumire ! la gravitation a
finalement assembl la matire en toiles et galaxies
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un fond de radiation "fossile" ayant une temprature de 2,7 K la
lumire issue de la bataille entre matire et antimatire s'est
refroidie au cours des millnaires. Aujourd'hui on observe
Temprature du ciel mesure par COBE +0.27 K-0.27 Variation de T sur
10 : ~30 microK
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Quelle est l'origine de l'asymtrie cosmologique ? Les symtries
P, C et T P gauche droite C particule antiparticule T inversion
temporelle
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Le monde chimique est symtrique par P
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Le monde biologique est fortement asymtrique G D (Nombre de
droitiers) (N gauchers) (Nombre de droitiers) (N gauchers) Asymtrie
= Exemple: Individus droitiers et gauchers, chez l'homme: (90 -
10)/(90+10) = 80% en faveur de D Mlange NON racmique, La race
humaine n'est pas symtrique par P.. quand on se regarde ds un
miroir un voit une personne qui n'existe pas (cur a gauche, etc.
etc.) Les tire-bouchons ont (normalement) une hlicit droite
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Le monde biologique est fortement asymtrique GxD Le camphre
synthtique est racmique. Le "camphrier du Japon" produit seulement
du D. Le parfum du citron et de l'orange est d au "limonne". Dans
un cas G, dans l'autre D. snif
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L'observation de la violation de la Parit en 1956 par C. S. Wu
et al. a boulevers la physique Quand les particules interagissent
par l'interaction faible, elles ne respectent pas toujours les
symtries P, C et T !
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Le neutrino est une particule exclusivement "gauche",
l'antineutrino est "droit" P est viole 100% (G - D) / (G + D) =
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Corollaire: C est aussi viole C (particule) = antiparticule
miroir de charge
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Qu'en est-il de la combinaison CP ?
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Est-ce que CP est une symtrie exacte ? Non ! En 1964 - 67 on
observe une petite violation de CP
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Le systme des Kaons neutres a t longtemps le seul exemple de
violation de CP. La comprhension de CP est fondamentale pour la
physique des particules mais aussi pour la Cosmologie: Les 3 rgles
de A. Sakharov pour que le Big Bang produise un Univers fait de
matire exclusivement sont: 1)les symtries C et CP doivent tre
violes 2)Le nombre baryonique est aussi viol 3)L'Univers est hors
quilibre CP est un des mystres les plus profonds de la physique.
Plusieurs expriences ont t, sont et seront consacres son tude.
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En 2001 les expriences BaBar et Belle ont annonc la dcouverte
de la violation de CP dans les msons B neutres. Belle au Japon
BaBar au USA
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belle Les europens: Frankfurt Lausanne Ljubljana Moscow Vienna
"Petite" collaboration ~200 physiciens Aprs quelques hsitations,
Lausanne a t place juste !
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Le programme se poursuivra au CERN...
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Conclusion 1930: l'hypothse courageuse de Dirac est confirme
exprimentalement et ouvre la bote de Pandore Aujourd'hui,
l'antimatire fait partie de la routine en mdecine. Elle reprsente
aussi un espoir de raliser la colonisation du systme solaire, et au
del, L'asymtrie matire-antimatire joue un rle essentiel en
Cosmologie. C'est un sujet d'intense attaque thorique et
exprimentale en Physique des particules. Animations AD et dessins:
CERN, SLAC, KEK Animations PET: B. Tavitian, Orsay et PSI. ICAN,
HIPAT sont des projets NASA et PennState University IPHE, Lausanne,
May 2002
