La première vraie "chimie" de l'antimatière
Publié par Michel le 16/10/2006 à 00:00
Source: American Institute of Physics
Illustration: Zurlo et al., Physical Review Letters
La collaboration Athéna, un groupe expérimental travaillant au CERN à Genève, est récemment parvenu à étudier et à mesurer des réactions chimiques mettant en jeu l'hydrogène antiprotonique, un élément composé d'un antiproton (chargé négativement) couplé à un proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) (de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) positive).

Cet objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est...) composite, également appelé protonium, s'annihile de lui-même en produisant un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) pair de mésons pi chargés révélateurs. Normalement l'annihilation se produit en environ un quintillionième de seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de...), mais dans l'expérience Athéna (et sous son vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) très poussé) l'élément survit pendant la durée "énorme" d'un millionième de seconde.

L'expérience se déroule de la façon suivante: en premier lieu, des antiprotons sont produits dans le synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) à protons du CERN par des protons se pulvérisant sur une cible mince. Les antiprotons résultants subissent alors une décélération, depuis 97% de la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour « célérité », la lumière se manifestant macroscopiquement comme un phénomène ondulatoire), est une constante...) jusqu'à 10% de cette vitesse (On distingue :). Plusieurs étapes du refroidissement, y compris la submersion dans un bain d'électrons lents, portent les antiprotons à un point (Graphie) où ils peuvent être piégés par la trappe électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.) d'Athéna.

Les chercheurs ont alors pu étudier, pour la première fois, une réaction chimique entre l'ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais, à partir de l'adjectif grec ἰόν (ion), se traduisant par « allant, qui va ».) d'antimatière (L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière classique — celle dont est faite la Terre. Le préfixe « anti- » signifie que l'antimatière est...) le plus simple - l'antiproton - et l'ion moléculaire de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...) le plus simple, à savoir H2+ (deux atomes d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) ayant perdu un électron). L'association de ces deux ions produit un protonium plus un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement constitué...) neutre d'hydrogène (voir la figure).


Légende de l'illustration: La chimie de l'antimatière a lieu à l'intérieur d'un piège de Penning, une trappe électrostatique dont les électrodes (cylindres roses) maintiennent pratiquement sur place les particules chargées. Des antiprotons ralentis (voir texte) sont encore refroidis en entrant dans le piège en les envoyant sur un nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la lumière qu’il...) de positrons (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron. Il possède une charge électrique de +1 (contre -1 pour l'électron), le même spin et la même masse que...) (e+ cloud). Les antiprotons interagissent chimiquement avec des ions d'hydrogène moléculaires (H2+) pour former des atomes d'hydrogène neutre et du protonium (qui se compose d'un proton et d'un antiproton brièvement liés). Plus tard les antiprotons s'annihilent avec les protons, avant d'atteindre la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa...) du piège.

Cette expérience est la première réaction chimique entre matière et antimatière, si l'on fait abstraction ( En philosophie, l'abstraction désigne à la fois une opération qui consiste a isoler par la pensée une ou plusieurs qualités d'un objet concret pour en former une représentation intellectuelle, et le...) de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose...) de positrons (anti-électrons) avec la matière normale. (Précédemment des antiprotons avaient été insérés dans des atomes d'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il ouvre la série des gaz nobles dans le tableau périodique des éléments. Son point...) mais ceci ne constituait pas réellement de la "chimie" puisque les antiprotons remplaçaient simplement un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) dans l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. La théorie...) d'hélium).

Selon Nicola Zurlo de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et...) de Brescia (Brescia (en français Brèche) est une ville italienne d'environ 190 000 habitants, située dans la province de Brescia, dont elle est le chef-lieu, en Lombardie, région de la plaine du Pô, au pied des Alpes,du mont...) et ses collègues, le produit expérimental de l'annihilation finale de protonium (voir la légende de la figure) a permis aux scientifiques d'Athéna de déduire que le nombre quantique (Un nombre quantique est, en mécanique quantique, un élément d'un jeu de nombres permettant de définir l'état quantique complet d'un système. Chaque nombre quantique définit la valeur d'une quantité...) principal (indiqué par la lettre n) du protonium avait une valeur moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous identiques sans changer la...) de 70 plutôt que la valeur prévue de 30. En outre, le moment angulaire (En physique, le moment angulaire ou moment cinétique est la grandeur physique qui joue un rôle analogue à la quantité de mouvement dans le cas des rotations. Comme le moment angulaire dépend du choix de l'origine (ainsi que du...) du protonium s'est typiquement révélé de beaucoup inférieur à ce qui était prévu, ceci peut-être en raison de la basse vitesse relative à laquelle les ions de matière et d'antimatière se rapprochaient les uns des autres avant la réaction.

Les scientifiques de la collaboration Athéna espèrent effectuer une spectroscopie plus détaillée de leur "atome" proton-antiproton en plus de la spectroscopie déjà programmée des atomes d'anti-hydrogène piégés, qui se composent d'antiprotons couplés à des positrons.

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