Les étudiants alternants de 4e génie électrique sont formés à la communication scientifique dans le cours : synthèse d’activités. Aujourd’hui Mohamed Amine Allali nous propose de partir dans l’infiniment petit au niveau de l’électron et de son antiparticule.

Le mystère de l’antimatière

Dans les premières décennies du XXe siècle, la découverte de l’antimatière posait un problème important. Cette nouvelle substance remettait en question la manière dont notre univers, rempli de matière, pourrait exister.

En 1928, Paul Dirac a proposé une nouvelle théorie et décrit le comportement des particules, telles que les électrons, lorsqu’elles se déplacent à une vitesse proche de celle de la lumière. Étonnamment, Dirac a découvert que son équation avait toujours 2 solutions.

Dirac a reconnu que l’une des solutions décrit l’électron, l’autre était un mystère qu’il avait d’abord qualifié d’artefact mathématique. Il a ensuite affirmé qu’il lui avait fallu 3 ans pour obtenir le courage d’affirmer que cet autre ensemble de solutions décrivait quelque chose de réel, de l’antimatière. C’est-à-dire que la première solution décrivait un électron tandis que la seconde décrivait un antiélectron, l’antiélectron aurait la même masse et le même spin de l’électron, mais aurait une charge électrique opposée.

Puisque l’électron a une charge négative, l’antiélectron aurait une charge positive, c’est pourquoi nous l’appelons également positon. Dans l’équation de Dirac, il en va de même pour toutes les particules.

Les particules ont des antiquarks et comme les quarks peuvent former un proton, les antiquarks peuvent constituer des antiprotons et des antiprotons et des antiélectrons peuvent produire des antiatomes, etc.

La théorie de Dirac était une réalisation remarquable. Si cela s’avérait exact, cela doublerait le nombre de particules connues dans le monde.

Quatre ans plus tard, en 1932, Carl Anderson a photographié une particule traversant une chambre à bulles. Ses mesures ont montré qu’elle avait la même masse qu’un électron, mais une charge électrique positive.

L’expérience Carl Anderson consistait à étudier les gerbes de particules cosmiques dans une chambre à brouillard entourée d’un électro-aimant, provoquant le déplacement de particules ionisées sur des trajectoires circulaires. Cet appareil est un cylindre avec des plaques d’extrémité en verre contenant un gaz saturé de vapeur d’eau. Lorsque des particules ionisées traversent la chambre, elles laissent des traînées de gouttes d’eau. En mesurant la densité des gouttes, on peut déterminer la quantité d’ionisation produite et donc le type de particule qui les a produites.

Lorsque Carl Anderson examina les rayons cosmiques dans la chambre à brouillard, il remarqua qu’il semblait y avoir une quantité importante de particules chargées positivement et négativement, comme déterminé par la direction de courbure de la piste. De plus, la masse des particules chargées positivement était inférieure à celle d’un proton. Il a prouvé, à l’aide d’expériences de moindre envergure, que cette particule positive, appelée alors positron, est une antimatière, un antiélectron.

C’était la première fois que l’antimatière était détectée, vérifiant la prédiction mathématique de Dirac, mais lorsque la matière et l’antimatière se rejoignent, elles s’annulent et cela soulève une grande question : pourquoi reste-t-il de la matière ?

Après tout, si la matière et l’antimatière sont identiques, à l’exception de la charge électrique opposée, et puisque, autant que nous puissions en juger, les lois de la physique font référence à un signe plus sur un signe moins, nous nous attendrions à ce qu’une quantité égale de matière et d’antimatière soit créée lors du Big Bang. Puis, s’ils se sont mélangés, la matière et l’antimatière s’annihileraient en laissant un océan de radiations sans structure.

Mais si tel était le cas, l’univers tel que nous le connaissons n’existerait pas. Alors que se passe-t-il ? Les physiciens ont été perplexes à ce sujet depuis plus d’un demi-siècle. Certains se sont demandé si l’antimatière était séparée de la matière et pouvait encore exister comme des anti-planètes, anti-étoiles, anti-galaxies ou peut-être même des anti-univers.

D’autres ont imaginé que juste après le Big Bang, un minuscule déséquilibre entre la matière et l’antimatière s’est manifesté. Pour éviter un anéantissement total, les scientifiques ont calculé que pour chaque milliard d’antiprotons, il devait y avoir un milliard de protons.

C’est un déséquilibre minime, mais il aurait laissé assez de matière pour faire tout ce que nous voyons dans l’univers aujourd’hui.

Pour savoir si l’une de ces théories pourrait être vraie, les scientifiques entreprennent une série d’expériences pour comprendre l’antimatière avec une précision bien supérieure et tout cela fait partie d’une grande quête pour répondre à une question aussi simple que profonde, étant donné que la matière et l’antimatière s’annulent, Comment est-il possible que nous existions ?