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antimatière

Walter Oelert
Walter Oelert

Forme de la matière constituée d'antiparticules, par opposition à la matière ordinaire, constituée de particules.

Origines et principes

Appliquées aux particules élémentaires, les équations de la physique ont la particularité de donner toujours deux solutions de signes opposés : pour chaque particule, il existe une antiparticule de même charge mais de signe contraire. Ainsi, dès 1928, le Britannique Paul Dirac prédit par la théorie l'existence du positron, un électron chargé positivement ; quatre ans plus tard, celui-ci a été effectivement observé dans le rayonnement cosmique par l'Américain Carl Anderson. L'antiproton et l'antineutron ont été quant à eux découverts en 1955 et 1956 respectivement, au moyen de l'accélérateur de particules de Berkeley, aux États-Unis. Aux neutrinos correspondent de même des antineutrinos, et à chaque type de quark un antiquark. L'antimatière, composée d'antiparticules, est couramment produite dans les accélérateurs. La difficulté consiste à la conserver, car, dès qu'elle rencontre de la matière, elle s'annihile. Il reste de l'énergie, qui, à son tour, se transforme en d'autres particules. Il faut donc réaliser des dispositifs où règne un vide extrêmement poussé. Ce n'est qu'en 1996 que l'on a pu obtenir pour la première fois des antiatomes, au Cern, près de Genève : sept antiatomes d'hydrogène, constitués d'un positron gravitant autour d'un antiproton, subsistèrent durant quelque 40 milliardièmes de seconde.

L'antimatière dans l'Univers

En dehors des antiparticules mises en évidence dans les rayons cosmiques et des émissions de rayonnement gamma caractéristiques du phénomène d'annihilation matière-antimatière que l'on décèle dans le milieu interstellaire, on n'observe pas d'antimatière dans l'Univers. Cette large prédominance de la matière dans l'Univers observable est une des grandes énigmes de la cosmologie.

Pour l'expliquer, l'hypothèse considérée aujourd'hui comme la plus vraisemblable est celle qu'a proposée en 1967 le physicien russe A. Sakharov. D'après la théorie du big bang, l'Univers serait né il y a environ 15 milliards d'années d'une sorte de grande explosion qui, selon le principe dit « de symétrie », aurait produit autant de matière que d'antimatière : les photons très énergétiques qui ont suivi cette explosion primordiale ont engendré les particules élémentaires et leurs antiparticules respectives. Matière et antimatière se seraient alors retrouvées en des proportions identiques à un détail près : pour un milliard de couples particule-antiparticule formés, il aurait subsisté une particule de matière en excès. Cette infime fluctuation aurait suffi à provoquer une « brisure de symétrie ». Petit à petit, les particules de matière auraient pris le dessus, pour former la matière que renferme aujourd'hui l'Univers. Si après l'annihilation initiale avait subsisté un très léger excès d'antimatière, le monde actuel ne serait constitué que d'antimatière.

Le phénomène de brisure de symétrie a de fait été mis en évidence en laboratoire dès 1964. Il est lié à la force nucléaire faible, responsable de la désintégration des particules élémentaires. On a découvert par exemple que les mésons K se désintégraient en antimésons K moins souvent que les antimésons K ne se désintégraient en mésons K. Il y aurait donc une préférence, un avantage pour la matière. Si la symétrie est violée en laboratoire, pourquoi ne l'aurait-elle pas été aux origines de l'Univers ?