Première synthèse d'une molécule liant matière et antimatière
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Publié le 01/12/2007
Résumé

Des physiciens de l’Université de Californie Riverside ont pour la première fois réunis deux atomes de positronium (Ps) en une molécule : le dipositronium Ps2. Cette molécule est la première à réunir la matière et l’antimatière : deux électrons et deux positrons, l'antiparticule de l'électron, y cohabitent pendant une fraction de seconde avant d’entrer en contact et de s’annihiler en libérant une énergie phénoménale.

 

Article rédigé par Hagop Demirdjian (professeur agrégé responsable du site ENS-DGESCO CultureSciences-Chimie), relu par J.-B. Baudin (Sous-Directeur du Département de Chimie de l'ENS).

 


Des physiciens de l’Université de Californie Riverside ont pour la première fois réunis deux atomes de positronium (Ps) en une molécule : le dipositronium Ps2. Cette molécule est la première à réunir la matière et l’antimatière : deux électrons et deux positrons, l'antiparticule de l'électron, y cohabitent pendant une fraction de seconde avant d’entrer en contact et de s’annihiler en libérant une énergie phénoménale.

1. L’antimatière

À partir de 1928, le théoricien britannique Paul Dirac[a] (figure 1) cherche à unifier la mécanique quantique et la théorie de la relativité d’Einstein. Il parvient à décrire l’électron dans le cadre de la relativité restreinte[b] avec « l’équation de Dirac » qui donne naissance à la mécanique quantique relativiste [2]. L’expression mathématique de cette équation est compliquée et sa résolution réserve quelques surprises… Premièrement elle fait apparaître le spin électronique de manière naturelle. C’est un apport fondamental de la nouvelle théorie puisque l'existence du spin était un postulat de la formulation non-relativiste de la mécanique quantique. Le résultat suivant est plus surprenant : Dirac trouve une solution de charge électrique positive. Elle correspondrait à une particule jumelle de l’électron, de même masse et de même spin, mais de charge électrique opposée. Cela conduit Dirac à prédire l’existence d’une nouvelle particule : l’anti-électron, ou « positron ».

Figure 1. Paul Dirac

Paul Dirac
Image : site des prix Nobel

[a] Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984), mathématicien et physicien britannique prix Nobel de physique en 1933 partagé avec Erwin Schrödinger « pour la découverte de formes nouvelles et productives de la théorie atomique ». http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1933/

[b] La Théorie de la Grande Unification cherchant à unifier mécanique quantique et relativité générale fait encore aujourd'hui l'objet de nombreuses recherches [1].

La mise en évidence expérimentale du positron ne tarde pas, dès 1932 le physicien américain Carl Anderson[1] lui attribue des traces inattendues sur des photographies prises dans des détecteurs de particules. Par la suite il va créer des positrons en bombardant la matière avec des rayons très énergétiques : les rayons gamma.

On sait aujourd’hui que chaque particule possède une antiparticule de même masse et de même spin mais de charge électrique opposée. Cette antiparticule peut éventuellement être la particule elle-même si elle est neutre, c’est le cas du photon.

2. Produire l’antimatière

Les sources de positron connues et utilisées à l’heure actuelle sont les suivantes :

Processus de « production de paires ». Ce processus est observé lors de l'interaction d'un photon de haute énergie (supérieure à 1.022 MeV, domaine du rayonnement gamma) avec un noyau atomique (figure 2). L’énergie du photon est convertie en masse en une paire électron-positron (0,511 Mev chacun), l’énergie en éventuel excès est convertie en énergie cinétique partagée entre la paire créée et le noyau en interaction avec le photon.

Figure 2. Processus de création de paire

Processus de création de paire
Un photon γ entre en interaction avec un proton et est transformé en une paire électron-positron.

C’est ce processus qui est observé lors du bombardement des rayons cosmiques dans la haute atmosphère et qui est à l’origine de la détection du positron par Anderson.

Radioactivité β+. Lorsqu’un noyau radioactif se désintègre par la voie β+, un proton (p) est converti en neutron (n) par l'intermédiaire de la force nucléaire faible et une particule e+ (un positron) et un neutrino (νe ) sont émis :

p ---> n + e+ + νe

Par exemple lors de la désintégration β+ du fluor 18, une des réactions utilisées en tomographie par émission de positrons (cf paragraphe 3.) :

18F ---> 18O + e+ + νe

3. À quoi sert le positron ?

Physique des particules. Le positron est aujourd'hui un des outils les plus utilisés en physique des particules. Ce domaine de la physique a pour objet de découvrir les constituants les plus intimes de la matière et de comprendre leurs mécanismes d’interaction. Pour produire ces particules élémentaires, on provoque des collisions entre les particules plus complexes préalablement portées à de très hautes énergies dans des accélérateurs. Le CERN (Centre Européen de Recherche Nucléaire) a exploité entre 1989 et 2000 le LEP [3] (Large Electron Positron collider) : un anneau de 27 km de circonférence enfoui 100 mètres sous terre à la frontière franco-suisse (figure 3). Les collisions provoquées dans ce collisionneur électron-positron ont permis de déterminer la masse des bosons vecteurs de l’interaction faible et de valider la théorie de l’unification de l’interaction électromagnétique et de l’interaction faible en interaction électrofaible.

Figure 3. Le collisionneur électron-positron LEP du CERN

Le collisionneur électron-positron LEP du CERN
Haut : arc magnétique du LEP, IN2P3/CNRS, LAL Orsay. Bas : un des détecteurs de particule disposés le long du collisionneur, image : CERN.

Les collisionneurs font partie des dispositifs les plus coûteux de la physique actuelle et nécessitent un financement international. Le projet de collisionneur électron-positron ILC [4] (International Linear Collider), qui devrait voir le jour en 2015, est conçu pour détecter le boson de Higgs et ainsi confirmer le modèle standard qui prévaut actuellement en physique des particules [5].

La tomographie par émission de positrons (TEP). La TEP est une méthode d’imagerie médicale fonctionnelle qui permet de mesurer l’activité métabolique des organes [6]. Elle repose sur la détection des positrons émis lors de la désintégration d’un radionucléide injecté au patient[2].

4. Ps2 : la première molécule de matière-antimatière

Le 12 septembre 2007, David Cassidy et Allen Mills, physiciens à l’Université de Californie Riverside, ont annoncé avoir créé la molécule de dipositronium Ps2 [7]. Ils confirment ainsi la prédiction théorique de Wheeler il y a plus de soixante ans en 1946.

Cette molécule est constituée de deux électrons et deux positrons soit deux positronium liés par une liaison de 0,4 eV (environ 40 kJ/mol). La principale difficulté technique est de permettre la rencontre des deux atomes de positronium avant leur annihilation. Les chercheurs ont eu l'idée de les piéger dans un matériau (figure 4) [8] :

  • Dans un premier temps, il faut créer les positrons et les piéger dans un champ magnétique afin de leur éviter tout contact avec la matière qui les détruirait aussitôt.

  • Dans un second temps, ce faisceau de positron bombarde une fine couche de silice nanoporeux. Une fraction importante des positrons s’annihile aussitôt avec les électrons du matériau, mais le reste est capturé par les électrons pour former des atomes de positronium adsorbés à la surface des pores. Leur durée de vie moyenne y est plus faible que dans le vide, de l’ordre de 60 ns au lieu de 142 ns, mais elle reste assez élevée pour que la probabilité de rencontre entre deux Ps soit non-négligeable (de l’ordre de 10%). On observe alors la formation de la molécule Ps2.

Figure 4. Dispositif expérimental de synthèse de Ps2.

Dispositif expérimental de synthèse de Ps2.
Gros plan de la chambre de bombardement de la couche de silice par le faisceau de positron. La bobine magnétique en haut de l'image en arrière plan est à l'origine d'un champ magnétique puissant qui permet de focaliser le flot de positron. Image : D. Cassidy, UCR

L’objectif des chercheurs est à présent de faire interagir non-plus deux mais plusieurs milliers d’atomes entre eux. Ils espèrent observer une transition de phase vers ce qu’on appelle un condensat de Bose-Einstein : une sorte de « super-atome » au sein duquel tous les positronium sont dans le même état quantique et ne sont plus distinguables les uns des autres. Si cet édifice est déjà intéressant en lui-même il présente surtout une application pratique inédite et très précieuse : le premier pas vers le rayon laser gamma, beaucoup plus puissant que les rayons actuels. En effet, Ps et Ps2 finissent par s’annihiler en produisant des photons gamma (figure 5). Dans le cas d’un condensat de Bose-Einstein, l’ensemble des atomes s’annihilerait simultanément en émettant des photons strictement identiques. Ces photons forment alors le rayonnement cohérent qui permet d’obtenir un laser.

Figure 5. Processus d'annihilation de paire

Processus d'annihilation de paire
Une paire électron-positron s'annihile en deux photons γ.

Ce rayonnement gamma (de l’ordre du million de fois plus énergétique que la lumière visible) permettrait par exemple de développer la fusion nucléaire en facilitant l’étape limitante : le déclenchement de la fusion.

5. Bibliographie et ressources en ligne

[1] La théorie de la grande unification, article et animations de Ilarion Pavel, en ligne sur le site « Voyage vers l'infiniment petit » de la diffusion des savoirs à l'Ecole normale supérieure : http://www.diffusion.ens.fr/vip/pageH00.html

[2] La mécanique quantique et sa formulation relativiste, articles et animations en ligne

[3] L'histoire du LEP, en ligne sur le site du CERN : http://public.web.cern.ch/press/pressreleases/Releases2000/PR10.00FLEPHi...

[4] Site du projet ILC : http://www.linearcollider.org

[5] Articles et interviews vidéo sur

[6] La tomographie par émission de positrons, article en ligne sur le site du CEA : http://www.cea.fr/jeunes/themes/la_radioactivite/l_imagerie_medicale

[7] L'annonce de la création du dipositronium :

  • Article : D. B. Cassidy, A. P. Jr. Mills : « The production of molecular positronium » Nature 449 195–197.

[8] Vidéo sur la fabrication du positronium en ligne sur le site Futura-sciences.


[1] Carl Anderson (1905-1991), physicien américain, prix Nobel de physique en 1936 « pour sa découverte du positron » http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1936/

[2] En pratique, on détecte les photons gammas produits lorsque les positrons s’annihilent à la rencontre de la matière.

 

 
 
 
 
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