Image : Dans la théorie quantique, les niveaux d'énergie possibles sont discrets, ce qui signifie que vous pouvez les compter un par un. Chaque ligne noire horizontale représente un niveau d'énergie. Plus la ligne est haute, plus l'énergie est élevée. Les ronds rouges représentent les électrons qui remplissent tous les niveaux de la mer de Dirac.
Particule subatomique ou rayonnement
Une particule subatomique est un composant de la matière de taille inférieure à un atome (1 ångström ou 0,1 nanomètre ou 10−10 mètre).
Avec E=mc2, les physiciens ont compris qu'ils pouvaient créer des particules en transformant de l'énergie en matière. Ainsi en accélérant des corpuscules à une vitesse proche de celle de la lumière, ils ont pu transformer le mouvement en particules. Dès lors, les briques du réel sont devenues du rayonnement d'une richesse extraordinaire, ce ne sont plus des corpuscules en nombre fini mais de l'énergie composée de particules élémentaires ou d'interactions.
E=mc2 n'inclut pas la quantité de mouvement c'est-à-dire l'énergie cinétique. L'équation qui inclut l'énergie cinétique est E2=p2c2+m2c4 où p est la quantité de mouvement.
Comme nous avons mis l'énergie au carré, au sens mathématique il y a deux solutions à cette équation. Une solution positive et une solution négative et les deux ont tout autant de sens.
Intuitivement cette énergie, E=√p2c2+m2c4 n'a de sens physique que positivement. Une énergie négative n'a aucun sens, tout comme une masse négative ou une vitesse négative.
Cependant Paul Dirac (1902-1984) va considérer les 2 solutions √ et -√ et surtout prendre au sérieux la solution négative. Dirac comprend que ces valeurs existent dans le domaine positif mais aussi dans le domaine négatif des énergies.
En physique quantique les énergies sont quantifiées ce qui implique que seulement certaines valeurs particulières de l'énergie sont possibles.
Les systèmes physiques en général se stabilisent en minimisant leur énergie, et trouvent leur équilibre dans les états fondamentaux de la matière. Mais si les états d'énergie négative existent, le système devrait se stabiliser dans ces états d'énergie plus faible, et donc tomber dans les états d'énergie négative puis disparaitre du monde réel !!!
Pourquoi un électron qui se trouve dans un état d'énergie positive ne tombe pas dans un état d'énergie négative ?
En 1925, Wolfgang Pauli (1900-1958) propose un principe selon lequel les électrons appartenant à un même système ne peuvent pas se trouver simultanément dans le même état quantique. Par la suite, ce principe sera généralisé à tout fermion ou particule de spin demi-entier.
En d'autres termes, en mécanique quantique, 2 particules ne peuvent être dans le même état quantique au même endroit au même moment (principe d'exclusion de Pauli).
En 1931, Dirac va considérer que tous les états d'énergie négative sont remplis jusqu'à l'infini. Car si tous les niveaux d'énergie négative sont remplis, il est alors impossible que d'autres électrons tombent dans les niveaux d'énergie négative, ce qui résout le paradoxe. Il y a donc des particules dans ces niveaux d'énergie que l'on appelle depuis la mer de Dirac.
L'antimatière existe donc et elle va être expérimentalement mesurée par Carl Anderson (1905-1991) en 1933 en découvrant l’électron positif, ou positron, dans les rayons cosmiques.
N. B. : en mécanique quantique l'état d'une particule caractérise l'ensemble des connaissances qui sont à disposition si l'on fait des mesures sur cette particule. L'état de la particule contient donc toute l'information disponible de la particule. On peut à partir de cet état calculer la probabilité de trouver tel moment cinétique, tel énergie, telle vitesse ou tel impulsion.
Il faut en réalité comprendre que le système est dans un état quantique unique, mais que les mesures peuvent donner plusieurs résultats différents, chaque résultat étant associé à sa probabilité d'apparaitre lors de la mesure.
Mais où sont ces antiparticules ?
Image : le positon ou l'antiparticule de l’électron.
Le cercle rouge représente le trou laissé dans la mer infinie de Dirac par l'électron parti dans le monde réel des énergies positives.
Un trou dans le vide représente l'absence d'un état d’énergie négative et de charge négative lorsqu'un électron d'énergie positive et de charge positive apparait dans le monde réel des énergies positives.
Un état d’énergie négative est vide et un état d’énergie positive est rempli. Un trou est perçu comme un positron d’énergie positive.
Les antiparticules sont partout dans le vide autour de nous et il est possible de leur communiquer une certaine quantité d'énergie pour les faire apparaitre dans le monde réel des énergies positives. Le vide est constitué par une mer infiniment profonde de niveaux d’énergie occupés.
Les antiparticules ne sont pas les particules d'énergies négatives (rond rouge), ce sont les trous (cercle rouge) laissés dans le domaine des particules des énergies négatives quand une particule d'énergie négative apparait dans le monde réel.
Dirac comprend que ce trou (antiparticule) a une énergie qui peut être mesurée expérimentalement. Comme l'énergie et la charge électrique sont conservées, l'antiélectron doit avoir une charge mesurable opposée à celle de l'électron. Ce qui est remarquable c'est que cette prédiction sera vérifiée en 1933 par Carl Anderson alors qu'il faisait des recherches sur les rayons cosmiques.
Pour produire de l'antimatière il faut suffisamment d'énergie pour franchir le gap qui va des énergies négatives aux énergies positives. Effectivement si on percute une antiparticule virtuelle avec une énergie suffisante égale à deux fois la masse de l'électron au carré, on va créer une particule d'énergie positive observable dans le monde réel positif.
Une particule par exemple un électron apparaitra dans le monde positif laissant un trou c'est-à-dire un positon dans le monde des énergies négatives.
Ce positon a la même masse que l'électron mais une charge électrique opposée provenant de la vacuité induite par le passage de l'électron de la mer de Dirac dans le monde des particules d'énergies positives.
Lorsqu'un électron rencontre un antiélectron, un positon, ils s'annihilent en deux photons de 511 kev.
Avec un compteur Geiger (instrument permettant de mesurer un grand nombre de rayonnement ionisant) on peut voir des raies très faibles de photons gamma d'une énergie de (511 keV/c2) ce qui correspond exactement à la masse de l'électron.
Comme la masse d'un électron est de 511 kev il faut 1 Mev pour passer de n-1 (monde des énergies négatives) à n1 (monde des énergies positives).
Un proton a une masse de 938,27 MeV/c2, pour créer un antiproton, il faudra 2 Gev. En d'autres termes, plus la particule est massive plus il faut d'énergie pour la faire apparaitre dans le monde réel.
Les antiparticules sont bien autour de nous et même en nous. Notre propre organisme émet quelques antiparticules (antineutrinos) lorsque le potassium 40 de notre corps se désintègre.
Les antiparticules ne sont-elles vraiment que des trous dans la mer de Dirac ?
Dans la théorie de Dirac un trou n'est pas une particule mais un manque de particule soit une antiparticule de charge opposée, de spin opposé, de masse identique à la particule réelle. Dans la théorie quantique les antiparticules sont de vraies particules plutôt que des trous. Ce qui est mathématiquement équivalent à la mer de Dirac.
En résumé, le trou peut être considérer comme un nouveau type de particule, appelée antiparticule qui a une énergie opposée à la particule. Si une particule est un fermion, alors elle doit avoir une antiparticule correspondante. Les antiparticules peuvent être créées avec rien d'autre que de l'énergie. Si une particule et une antiparticule se rencontrent elles peuvent disparaître dans une bouffée d'énergie, le terme technique est l'annihilation.
En 1933 le positron est découvert dans les rayons cosmiques par Carl Anderson (1905-1991). En 1955 l'antiproton est découvert par Emilio Segrè (1905-1989). En 1956 l'antineutron est découvert par Bruce Cork (1916-1994). En 1965 un antideutéron (noyau de l'antideutérium) est créé dans le synchrotron du CERN. En 1995 le premier atome d’antimatière (antihydrogène) est créé dans un laboratoire du CERN. En 2011 est observé le plus lourd antinoyau (antihélium-4).