Antiparticule - Définition

Collision d'une particule et de son antiparticule

Lorsqu'une particule de masse m rentre en contact avec son antiparticule correspondante, elles s'annihilent pour former une ou plusieurs particules quelconques, mais qui ont une énergie égale à celle initiale, et qui conservent un certain nombre de caractéristiques comme la charge électrique totale qui doit donc être nulle. En particulier, l'annihilation peut produire une particule et son antiparticule différentes de celles initiales.

Exemple : un proton et un antiproton s'annihilant, ont une énergie E = 2×1,6.10⁻²⁷×c² = 0,23.10⁻⁹ joules; ils peuvent, par exemple, se transformer en une paire (électron, antiélectron) allant à la vitesse v = 0,98 × c, la majorité de l'énergie est alors sous forme d'énergie cinétique (vitesse).

Un photon isolé ne peut pas créer de couple particule/antiparticule à lui seul, car il ne pourrait y avoir conservation à la fois de l'énergie, de la charge et de la quantité de mouvement. Mais il peut créer des couples virtuels, dont il faut tenir compte quand on étudie le vide quantique.

Bien que des atomes d'anti-hydrogène aient été créés en nombre très limité en laboratoire depuis la fin du XX^e siècle, leur période de vie est très courte et ils ne peuvent être conservés. Leur création nécessite d'immenses dispositifs (accélérateur de particules) et des quantités effroyables d'énergie, bien plus que n'en libère leur annihilation avec la matière, ce qui hypothèque pour longtemps encore de réelles avancées dans ce domaine.

Être sa propre antiparticule

Comme on l'a vu, une antiparticule a la charge opposée de celle de sa particule. Pour qu'une particule soit sa propre antiparticule, il faut donc tout d'abord qu'elle soit neutre.

Particules composées

Une particule composée peut être sa propre antiparticule si elle est composée de particules qui sont elles-mêmes leurs propres antiparticules, ou bien si elle est composée de particules élémentaires qui sont mutuellement leurs antiparticules. C'est le cas du pion π⁰.

En revanche le neutron ne peut pas être sa propre antiparticule bien qu'il soit neutre, car il est composé d'un quark up de charge +2/3 et de deux quarks down de charge -1/3. L'antineutron est composé des antiparticules de celles composant le neutron : un antiquark up de charge -2/3, et deux antiquarks down de charge +1/3. Il est donc distinct du neutron.

Particules élémentaires

Particules de Dirac et de Majorana

Dans l'équation de Dirac, une particule a quatre composantes : elles correspondent à la particule et à son antiparticule, avec deux orientations de spin possibles. Dans l'équation de Majorana, une particule n'a que deux composantes. L'antiparticule est une particule vue dans un miroir, l'inversion de spin correspondant au passage à l'antiparticule.

Regarder une particule dans un miroir inverse d'une part son spin, d'autre part son hélicité, c'est-à-dire la projection du spin sur sa vitesse. Or l'hélicité est changée quand on change de référentiel en se déplaçant plus vite que la particule. Cela n'est possible que pour une particule de masse non-nulle, car les particules de masse nulle se déplacent à la vitesse de la lumière dans le vide, qui n'est pas dépassable (un tel changement de référentiel n'aurait aucun sens).

Les fermions sont classés suivant le fait qu'ils soient leur propre antiparticule ou non: on appelle particule de Dirac une particule qui diffère de l'antiparticule correspondante, particule de Majorana une particule qui est sa propre antiparticule. Toutes les particules pour lesquelles la question est tranchée sont des particules de Dirac. Le doute demeure sur le neutrino. Le neutrino a la particularité de n'avoir été observé qu'avec l'hélicité gauche, et l'antineutrino avec l'hélicité droite.

La distinction entre particules de Dirac et de Majorana n'a plus de sens pour des particules de spin nul. C'est pourquoi on parle en anglais de « fermions de Dirac » et « fermions de Majorana » plutôt que de particules.

Particule de masse nulle

Pour une particule de masse nulle, l'hélicité n'a qu'une seule orientation possible. Dès lors, la distinction entre particules de Dirac et particules de Majorana n'est plus pertinente.

Le photon, l'hypothétique graviton et les gluons sont respectivement leurs propres antiparticules.