Qu'est-ce que l'antimatière ? Un guide simple sur la substance la plus étrange de l'univers

Imaginez que chaque particule de votre corps et de tout l'univers possède un jumeau caché qui porte la même masse mais dont la charge électrique est exactement inversée. Ce jumeau n'est pas de la science-fiction ; c'est une réalité physique solidement établie appelée antimatière. C'est l'une des choses les plus étranges jamais découvertes par l'humanité : elle emmagasine bien plus d'énergie que n'importe quel carburant connu, et pourtant elle est presque totalement absente du monde qui nous entoure. Alors, qu'est-ce que l'antimatière au juste, et pourquoi les scientifiques poursuivent-ils quelques-uns de ses atomes ?

Qu'est-ce que l'antimatière ?

La matière ordinaire est constituée de particules élémentaires : les électrons négatifs, les protons positifs et les neutrons neutres. L'antimatière est constituée d'antiparticules, dont chacune possède la même masse que son homologue ordinaire mais une charge électrique opposée. L'antiparticule de l'électron s'appelle le positron et porte une charge positive, tandis que l'antiparticule du proton est l'antiproton et porte une charge négative. Le physicien britannique Paul Dirac a prédit l'antimatière en 1928 grâce à une équation mathématique, et le positron a effectivement été découvert en 1932 par Carl Anderson, transformant la prédiction en fait observé.

Le tableau ci-dessous présente les principales particules ordinaires, leurs antiparticules correspondantes et la différence de charge entre elles :

L'annihilation : quand la matière rencontre son opposé

La propriété la plus spectaculaire et la plus dangereuse de l'antimatière est ce qui se produit lorsqu'elle rencontre la matière ordinaire : les deux s'annihilent en un instant, et leur masse est entièrement convertie en énergie pure sous forme de rayons gamma. Ce processus s'appelle l'annihilation, et c'est ici que la célèbre équation d'Einstein E=mc² révèle toute sa puissance. Elle nous dit qu'une infime quantité de masse équivaut à une énorme quantité d'énergie, car elle est multipliée par le carré de la vitesse de la lumière. Annihiler un gramme d'antimatière avec un gramme de matière ordinaire libère une énergie comparable à une bombe de plusieurs dizaines de kilotonnes, bien plus que toute réaction chimique connue.

Cette efficacité énergétique stupéfiante fait de l'antimatière, en théorie, le carburant le plus dense en énergie de l'univers. Alors que le combustible nucléaire ne convertit qu'une petite fraction de sa masse en énergie, l'antimatière convertit sa propre masse plus une quantité égale de matière ordinaire avec un rendement proche de cent pour cent.

Comment fabrique-t-on et stocke-t-on l'antimatière ?

Il n'existe aucun réservoir naturel proche d'antimatière à exploiter ; les scientifiques la fabriquent donc dans de gigantesques accélérateurs de particules, le plus célèbre étant le CERN, à la frontière franco-suisse. Les antiparticules sont produites en faisant entrer en collision des particules ordinaires à des vitesses énormes, proches de celle de la lumière, de sorte que l'énergie donne naissance à des paires de matière et d'antimatière. Le plus grand défi n'est pas la production mais le stockage, car tout contact avec les parois d'un récipient signifie une annihilation instantanée. C'est pourquoi les antiparticules chargées sont maintenues dans des pièges électromagnétiques, sous un vide quasi parfait, qui les gardent en suspension à l'écart de toute matière. L'expérience ALPHA du CERN a réussi à piéger des atomes d'antihydrogène pendant des durées d'environ un quart d'heure, une prouesse énorme à l'échelle de ce domaine.

Des usages réels et un grand mystère cosmique

Malgré son extrême rareté, l'antimatière a un usage médical bien établi que nous rencontrons dans les hôpitaux : la tomographie par émission de positons, ou examen TEP. Lors de cet examen, on injecte au patient une substance radioactive qui émet des positrons, et lorsque chaque positron rencontre un électron dans le corps, une petite annihilation se produit, libérant des rayons gamma que l'appareil capte pour construire une image précise de l'activité des tissus, ce qui aide à diagnostiquer le cancer, les maladies cardiaques et les troubles cérébraux. Le mystère le plus profond est l'asymétrie matière-antimatière : la théorie affirme que le Big Bang aurait dû créer des quantités exactement égales de matière et d'antimatière, qui se seraient ensuite annihilées sans rien laisser derrière elles, et pourtant nous vivons dans un univers rempli de matière. Pourquoi la matière l'a-t-elle emporté sur son opposé d'une marge si infime ? C'est l'une des plus grandes questions ouvertes de la physique actuelle.

Pourquoi ne peut-on pas encore l'utiliser comme carburant ?

Si l'antimatière est si dense en énergie, pourquoi ne propulse-t-elle pas nos vaisseaux spatiaux ? La réponse tient en deux mots : rareté et coût. Toute l'antimatière produite par l'humanité au cours de l'histoire des sciences suffirait à peine à allumer une ampoule pendant quelques minutes, et produire un seul gramme d'antimatière coûterait, selon les estimations, des milliers de milliards de dollars et prendrait plus longtemps que nos vies aux rythmes de production actuels. De plus, le processus de production consomme lui-même bien plus d'énergie que n'en emmagasine l'antimatière obtenue ; c'est donc un moyen de stockage de l'énergie, et non une source d'énergie. L'antimatière reste ainsi, pour l'instant, un outil précis de recherche scientifique et de diagnostic médical plutôt que le carburant du futur proche, même si elle continue d'inspirer la science-fiction comme les chercheurs.

Sources

• CERN – Antimatière
• Symmetry Magazine – Ten things you might not know about antimatter
• NASA – Astrophysique