Demandez à Ethan: En quoi l'antimatière est-elle fondamentalement différente de la matière?

Les collisions de particules à haute énergie peuvent entraîner l'apparition de paires de particules / antiparticules ou de photons, et l'annihilation de paires de particules / antiparticules peut également entraîner l'apparition de photons, comme le montrent ces traces dans une chambre à bulles. Mais qu'est-ce qui détermine l'appartenance d'une particule à la matière ou à l'antimatière?

Chaque particule de matière connue dans l'Univers a un double antimatériel. L'antimatière a de nombreuses propriétés similaires à celles de la matière normale, notamment les types d'interactions, la masse, l'amplitude de la charge électrique, etc. Mais il existe plusieurs différences fondamentales. Cependant, deux choses à propos de l'interaction des particules de matière et de l'antimatière peuvent être dites avec certitude: si vous heurtez une particule de matière avec son double d'antimatière, elles s'anéantissent instantanément, se transformant en énergie, et dans toute interaction qui crée une particule de matière, son jumeau d'antimatière se posera nécessairement. Qu'est-ce qui rend l'antimatière si spéciale? C'est exactement ce que notre lecteur veut savoir, qui demande:

Quelles sont les différences entre la matière et l'antimatière à un niveau fondamental? Y a-t-il une propriété interne qui fait qu'une particule devient matière ou antimatière? Existe-t-il une sorte de propriété interne (comme le spin) qui distingue les quarks et les antiquarks? Que donne le préfixe «anti» antimatière?

Pour comprendre la réponse à la question, vous devez regarder les particules existantes (et les antiparticules).


Les particules et les antiparticules du modèle standard obéissent à toutes sortes de lois de conservation, mais il existe des différences fondamentales entre les fermions et les bosons

Il s'agit du modèle standard de particules élémentaires: un ensemble complet de particules ouvertes dans l'univers connu. Ils sont généralement divisés en deux classes: les bosons à spins entiers (..., -2, -1, 0, +1, +2, ...), qui n'appartiennent ni à la matière ni à l'antimatière, et les fermions à spins demi-entiers (..., -3/2, -1/2, +1/2, +3/2, ...), obligés de rentrer dans l'une des deux catégories: matière ou antimatière. Toute particule que vous souhaitez simplement créer aura de nombreuses propriétés inhérentes définies par ce que nous appelons les nombres quantiques . Dans une particule séparée et isolée, ce seront à la fois des propriétés qui vous sont familières et plusieurs propriétés qui peuvent vous être inconnues.


Les configurations possibles d'un électron dans un atome d'hydrogène sont étonnamment différentes les unes des autres, et pourtant elles représentent toutes la même particule dans des états quantiques légèrement différents. Les particules et les antiparticules ont également leurs propres nombres quantiques immuables qui leur sont inhérents, et ils jouent un rôle majeur pour déterminer si une particule appartient à la matière, à l'antimatière ou à aucune des catégories.

Parmi les simples, on peut rappeler la masse et la charge électrique. Par exemple, la masse au repos d'un électron est de 9,11 × 10 ^-31 kg, et sa charge est de -1,6 x 10 ^-19 C. De plus, les électrons peuvent se lier aux protons, ce qui donne un atome d'hydrogène avec un ensemble de raies spectrales et de raies d'émission / d'absorption, selon leur interaction électromagnétique. Le spin des électrons est +1/2 ou -1/2, le nombre de leptons est +1, le nombre de la famille des leptons est +1 pour la première des trois familles de leptons (électron, mu, tau) (pour plus de simplicité, nous omettons des nombres tels que l'isospin faible ou l'hypercharge faible )

Compte tenu de ces propriétés d'un électron, on peut se poser une question - à quoi devrait ressembler une double particule d'un électron de l'antimatière sur la base des règles régissant les particules élémentaires.


Dans un simple atome d'hydrogène, un seul électron tourne autour d'un seul proton. Dans un atome d'antihydrogène, un positron se déplace autour d'un antiproton. Les positrons et les antiprotons sont des jumeaux d'antimatière pour les électrons et les protons, respectivement.

Les valeurs de tous les nombres quantiques doivent être préservées. Mais dans les antiparticules, les signes de ces chiffres doivent être inversés. Pour un anti-électron, cela signifie qu'il doit avoir les nombres quantiques suivants:

• masse au repos 9,11 × 10 ^-31 kg,
• charge électrique 1,6 x 10 ^-19 C,
• spin -1/2 ou +1/2,
• nombre de leptons -1,
• le nombre de la famille lepton est -1.

Lorsque vous l'associez à un antiproton, il devrait générer exactement la même série de raies spectrales et de raies d'absorption / émission que le montre le système électron / proton.


Les transitions électroniques dans un atome d'hydrogène et les longueurs d'onde des photons résultants démontrent l'effet de l'énergie de liaison et l'interaction entre un électron et un proton en physique quantique. L'identité des raies spectrales dans les positons et les antiprotons est confirmée.

Tous ces faits ont été confirmés expérimentalement. Une particule qui correspond exactement à la description d'un anti-électron est appelée positron. Cela est nécessaire lorsque vous réfléchissez à la façon dont nous créons la matière et l'antimatière: généralement, nous les créons à partir de rien. Autrement dit, si deux particules entrent en collision à des énergies suffisamment élevées, il est souvent possible d'obtenir une paire particule / antiparticule supplémentaire à partir de l'énergie excédentaire (de E = mc ² d'Einstein), selon la loi de conservation.


Lorsque nous confrontons une particule à une antiparticule, nous pouvons nous attendre à ce qu'elle s'annihile et se transforme en énergie. Et il en résulte que la collision de deux particules avec une énergie suffisamment élevée, vous pouvez créer une paire de particules / antiparticules

Mais non seulement l'énergie doit être conservée; il y a encore toute une montagne de nombres quantiques qui doivent également être préservés! Cela comprend:

• charge électrique
• moment angulaire (une combinaison de spin et de moment angulaire orbital; pour les particules individuelles, c'est juste un spin),
• numéro lepton
• numéro de baryon
• numéro de famille lepton,
• charge de couleur.

Et de toutes ces propriétés internes, deux déterminent l'appartenance à la matière et à l'antimatière - le nombre de baryons et le nombre de leptons.


Dans l'Univers ancien, il y avait extrêmement beaucoup de toutes les particules et de leurs antiparticules, mais en se refroidissant, la plupart des particules s'anéantissaient. Toute notre matière ordinaire est née des quarks et des leptons, avec des nombres positifs de baryons et de leptons, dépassant le nombre de leurs doubles, antiquarks et antileptons.

Si l'un de ces nombres est positif, alors la particule appartient à la matière ordinaire. Par conséquent, les quarks (avec un nombre de baryons +1/3), les électrons, les muons, le tau, les neutrinos (avec un nombre de leptons +1) appartiennent à la matière, et les antiquarks, les positrons, les antimuons, l'antitau et l'antineutrino appartiennent à l'antimatière. Ce sont tous des fermions et des antifermions, et chaque fermion est une particule de matière, et l'antifermion est une particule d'antimatière.


Particules du modèle standard avec des masses en MeV / s ² indiquées dans les coins supérieurs gauches. Les trois colonnes de gauche sont des fermions, les deux colonnes de droite sont des bosons. Et bien que toutes les particules aient leur propre antiparticule, seuls les fermions appartiennent à la matière ou à l'antimatière.

Mais il y a aussi des bosons. Il existe des gluons dont les antiparticules sont des gluons avec des combinaisons de couleurs opposées; il y a W ⁺ avec l'antiparticule W ^- (avec la charge électrique opposée); il y a Z ⁰ , le boson de Higgs, et un photon, dont ils sont eux-mêmes les antiparticules. Cependant, les bosons ne sont ni liés à la matière ni à l'antimatière. Sans nombre de leptons ou de baryons, ces particules peuvent avoir une charge électrique, une charge de couleur, un spin, etc. - mais personne ne peut les appeler «matière» ou «antimatière». Dans ce cas, les bosons ne sont que des bosons, et s'ils n'ont pas de charge, ils sont leurs propres antiparticules.


À toutes les échelles de l'Univers, de notre région à l'espace interstellaire, des galaxies individuelles aux amas et filaments et à la grande toile cosmique, tout ce que nous observons nous semble être composé de matière ordinaire, mais pas d'antimatière. Cette énigme reste non résolue.

Alors, qu'est-ce qui donne le préfixe «anti» à l'antimatière? Si nous prenons une particule séparée, alors son antiparticule aura la même masse, et tous les mêmes nombres quantiques avec le signe opposé: c'est une particule qui peut s'annihiler dès la première et se transformer en énergie. Mais pour être matière, la particule doit avoir un nombre de baryons ou de leptons positif. Pour être antimatière, vous devez avoir un nombre de baryons ou de leptons négatif. De plus, dans notre univers, il n'y a aucune raison fondamentale pour laquelle la matière serait supérieure à l'antimatière de quelque façon que ce soit; nous ne savons toujours pas comment cette symétrie a été brisée (bien que nous ayons des idées). Si tout se passait différemment, nous appellerions probablement tout ce que nous sommes faits de «matière» et le reste «d'antimatière», mais ces noms sont donnés arbitrairement. Comme toujours, l'univers est du côté de ceux qui ont survécu.