En physique des particules, l'antimatière est l'ensemble des antiparticules qui possèdent la même masse et le même spin que les particules ordinaires, mais des charges, des nombres baryoniques et des nombres leptoniques opposés.
Il est supposé que l'antimatière n'existe qu'en quantités infimes dans l'Univers local, soit dans les rayons cosmiques, soit produite en laboratoire. Les travaux sur l'antimatière consistent en grande partie à expliquer la rareté de l'antimatière par rapport à la matière. Selon la théorie du Big Bang, la matière et l'antimatière devraient avoir été présentes en quantités égales. La totale absence, du moins en apparence, d'antimatière dans notre univers, reste l'un des mystères majeurs du modèle standard.
Principe La différence entre matière et antimatière concerne le niveau des charges (dont la charge électrique) : les particules composant l'antimatière ont des charges opposées à celles des particules jouant le même rôle dans la matière. Par exemple, la matière comprend les protons, électriquement positifs, et les électrons, électriquement négatifs ; l'antimatière comprend donc les antiprotons, négatifs, et les antiélectrons (ou positons), positifs.
Une particule élémentaire de charge nulle peut être sa propre antiparticule : c'est le cas du photon.
L'antimatière a été imaginée quand Paul Dirac a écrit l'équation portant son nom en 1928, et remarqué qu'elle s'appliquait encore pour des particules de charge opposée.
Il en déduit que pour chaque particule, il existe une antiparticule correspondante, ayant les mêmes caractéristiques, mais de charge opposée.
Histoire Avant la découverte officielle marquée par le prix Nobel du physicien de la California Institute of Technology (Caltech) Carl David Anderson, les premières particules d’antimatière ont été observées mais sans être reconnues, cinq ans avant que la théorie de Dirac n’apparaisse. C’est en 1923 que le physicien et académicien de l’académie soviétique des sciences Dmitry Skobeltzyn à Leningrad a en premier capturé l’existence d’un antiélectron. Alors en train d’étudier les rayons gamma grâce à une « chambre à nuage », c’est en disposant un aimant géant autour de cette chambre pour en réduire les électrons, qu’il s’est aperçu que les forces magnétiques avaient courbé la trajectoire de certains électrons dans le mauvais sens, impliquant une charge de ces particules opposée à celle des électrons « normaux ».
En 1928, Skobeltzyn montra ces images surprenantes lors d’une conférence internationale à Cambridge. Cependant, bien que la théorie de Dirac ait été présentée plus tard la même année et au même endroit, à ce moment, personne ne connaissait les antiélectrons, et donc l’expérience de Skobeltzyn ne lui obtint pas le prix Nobel. À la place, c’est Anderson qui, étant le premier à identifier les antiélectrons comme tels, se vit décerner le prix.
C’est ensuite en 1930 que le physicien de la Caltech Robert Millikan suggéra à son étudiant Carl Anderson de construire un aimant plus puissant qui courberait même la trajectoire des rayons cosmiques. Il le fit, à l’aide des ingénieurs du laboratoire d’aéronautique qui se trouvait à côté, lui permettant d’observer les rayons cosmiques se courber. Pour être sûr que les trajectoires observées n’étaient pas juste des électrons arrivant par le bas, il disposa une plaque de plomb au milieu du dispositif, plaque qui ferait perdre de l’énergie aux électrons la passant permettant de voir dans quel sens ils la traversent. C’est ainsi qu’après plusieurs observations, il était assez sûr de lui pour présenter ses résultats, et fut publié en par l’édition Science News Letter et inventa le nom “positron”.
Cependant, Anderson et Milikan se trouvant sur la côte Ouest des États-Unis et à cause de la communication de l’époque qui n’était pas aussi rapide qu’aujourd’hui, ils n’étaient pas au courant du travail de Dirac et de ses implications. Ce n’est que le que le résultat d’Anderson fut réellement publié dans une revue de physique, signant la découverte de la première antiparticule appelée le positron, appuyé dans le même mois par la publication des travaux de Patrick Blackett et Giuseppe Occhialini.
Anderson obtiendra ensuite en 1936 une moitié du prix Nobel de physique pour sa découverte, l’autre moitié étant remise à Victor Franz Hess.
Irène et Frédéric Joliot-Curie avaient aussi découvert par hasard le positron, sans s’en rendre compte.
La recherche d’une autre antiparticule, l’antiproton, a conduit à la construction en 1950 d’un nouvel accélérateur de particule, le BeVatron au Laboratoire national Lawrence-Berkeley, assez puissant pour produire des antiprotons. En 1955, Owen Chamberlain, Emilio Segrè, Clyde Wiegand et Tom Ypsilantis, après avoir gagné une compétition consistant à présenter la meilleure idée pour isoler les antiprotons, furent les premiers à utiliser l’accélérateur, découvrant ainsi l’antiproton. Ils furent suivis en 1957 par le groupe commandé par Oreste Piccione et constitué de Bruce Cork, Glen Lambertson et Wiliam Wenzel, qui découvrirent l’antineutron au même endroit.
La découverte de l’antiproton permit à Chamberlain et Segrè, qui avaient dirigé l’expérience, de gagner le prix Nobel de physique en 1959. Ce prix fut cependant l’objet de dispute puisque Oreste Piccione estimait qu’il en méritait une partie pour leur découverte de l’antineutron et qu'il estimait que le groupe de Chamberlain et Segrè avait volé son idée d’expérience. vignette|Anneau de stockage du CERN. Après la découverte des premières antiparticules est venue la question du stockage de ces dernières. C’est d’abord le physicien Touschek avec un groupe de collègues au Laboratoire de Frascati qui ont dessiné et construit un des premiers accélérateurs de particule, Anello d’Accumulazione (AdA), leur permettant de stocker des électrons et des positrons, puis en 1963 un rayon intense de positrons. Aujourd’hui, des dispositifs similaires mais également certains de taille gigantesque sont utilisés comme au CERN. Ces anneaux de stockage permettant de collisionner des électrons et des positrons ont permis d’en apprendre énormément sur l’origine et la nature de la matière et sont à l’origine de nombreux prix Nobel.
En 1984, une autre manière de stocker des antiparticules a été utilisée par Hans Dehmelt en stockant pendant 3 mois un positron dans un « piège de Penning », utilisant ingénieusement des champs magnétiques et électriques.
Au CERN (Laboratoire européen de physique des particules), dans la nuit du 17 au , pour la première fois dans l'histoire, de l'antimatière a été capturée dans un piège électromagnétique. En raison des conditions relativement précaires de cette première tentative réussie, les antiprotons n'ont pu être conservés que pendant dix minutes environ, une durée toutefois plus longue que les Américains Bill Kells de Fermilab et Gerald Gabrielse de l'Université de Washington n'avaient osé espérer. Lorsque ces chercheurs reviendront au CERN pour une nouvelle tentative, un appareillage plus perfectionné leur permettra de capturer quelques dizaines ou centaines d'antiprotons.
D'autres chercheurs américains, en provenance cette fois-ci du laboratoire militaire de Los Alamos (où durant la Seconde Guerre mondiale la bombe atomique a été mise au point) sont aussi à pied d'œuvre à Genève. Avec des moyens beaucoup plus importants et un matériel beaucoup plus sophistiqué, le plan était de capturer des antiprotons et les mettre en bouteille, mais en quantités beaucoup plus grandes. Comme ceux de l'équipe de l'Université de Washington, ils s'efforceront de déceler une infime différence de masse entre le proton et son antiparticule. Mais de plus, ils tenteront toutes sortes de manipulations telles que fabriquer de l'antihydrogène, injecter des antiprotons dans de l'hélium superfluide, rechercher des états métastables dans la matière ordinaire, etc. Des expériences cruciales ayant le potentiel de créer une nouvelle forme d'énergie nucléaire, utilisable à des fins civiles et militaires. Pour les expériences les plus délicates, ils pourraient ainsi emporter à Los Alamos une bouteille d'antimatière, cuvée 1987 ou 88, afin d'y mettre au point, dans le calme des montagnes du Nouveau Mexique, des armes nucléaires exemptes de retombées radioactives, des armes à faisceaux projetant des jets de plasmas thermonucléaires, des lasers à rayons x ou gamma, et d'autres armes encore secrètes, toutes actionnées par l'antimatière.
C'est principalement cet intérêt de la part des militaires américains comme soviétiques qui a permis de financer les recherches dans ce domaine. En effet, l'US Air Force demande dans les années 1980 à la RAND Corporation la possibilité d'utiliser les réactions d'annihilation de l'antimatière. En effet, des technologies comprenant des fusées anti-missiles ultra-rapides, la production d’énergie par des réacteurs compacts et légers pour les déploiements militaires dans l’espace et la conception d’armes à base de faisceaux d'antihydrogène, d'ondes électromagnétiques, de rayons X cohérents et de lasers à très haut rendement sont ainsi étudiées. Le CERN a joué un grand rôle dans ces études, étant le pionnier de la recherche sur l'antimatière. Il s'avérera que les Soviétiques aussi s'intéressaient au CERN pour les mêmes raisons, ce qui fut découvert en 1986.
En ce qui concerne les antiparticules neutres ou les antiatomes, c'est encore plus complexe. Il est impossible d’utiliser un champ électrique ou magnétique constants pour stocker l’antimatière neutre car ces champs n'ont aucun effet sur ces particules. Les scientifiques travaillent actuellement sur la possibilité d’utiliser des « bouteilles magnétiques », ou des « pièges optiques » (avec lasers) mais ces dispositifs sont toujours en phase de développement.
Concernant la découverte des autres antiparticules :
En 1965, a lieu la création du premier « antinoyau » avec un antideutéron, noyau de l'antideutérium, dans le Proton Synchrotron du CERN et au synchrotron à gradient alterné du Laboratoire national de Brookhaven.
En 1995, le premier atome d’antimatière est créé, l’antihydrogène, dans un laboratoire du CERN à Genève..
En 2010, sont créés les premiers antihypernoyaux.
Le , des chercheurs du CERN ont annoncé qu’ils ont réussi à piéger pour la première fois des atomes d’antihydrogène dans un champ magnétique.
En 2011 est observé le plus lourd antinoyau : un noyau d'4He (antihélium 4).
En 2019, on connaît les antiparticules des quarks étrange, bottom et charmé..
En 2026, le CERN réussit à transporter des antiprotons sur huit kilomètres, entre deux sites du laboratoire. Afin d'éviter que les particules ne se désintègrent, elles ont été maintenues en suspension grâce à des champs électromagnétiques (piège de Penning d’une tonne nommé Base-Step). Les scientifiques espèrent pouvoir éloigner l'antimatière de l'accélérateur de particules, imprégné de champs magnétiques parasites..
La réaction matière-antimatière L'antimatière et la matière, quand elles entrent en contact, peuvent s'annihiler mutuellement. Elles sont alors transformées en énergie, suivant l'équation E=mc. En fait, il s'agit de la seule situation connue dans laquelle la masse est intégralement convertie en énergie. Par comparaison, une réaction nucléaire classique ne dégage qu'une très petite partie de l'énergie « de masse » contenue dans les combustibles nucléaires utilisés (~1 millième), cette dernière dégageant pourtant bien plus d'énergie encore qu'une combustion (~1 million de fois plus).
Ce phénomène est réversible : de l'énergie peut être transformée en couple matière/antimatière. Mais il faut une concentration d'énergie énorme pour y parvenirPar l'équation E=mc, l'énergie contenue dans 1 g de matière et 1 g d'antimatière est de l'ordre de ..