Août 1932 : Découverte du positron
La photo de chambre à nuages d’Anderson sur le rayonnement cosmique de 1932 montrant pour la première fois l’existence de l’antiélectron. La particule entre par le bas, frappe la plaque de plomb au milieu et perd de l’énergie comme le montre la plus grande courbure de la partie supérieure de la piste.
Le créateur de Star Trek, Gene Roddenberry, a incorporé beaucoup de science réelle dans ce qui est devenu l’une des franchises de séries les plus réussies de tous les temps. L’une d’entre elles concerne les moteurs matière/antimatière qui équipent l’Enterprise, lui permettant de voyager prétendument à des vitesses supérieures à celle de la lumière.
En 1928, le physicien britannique Paul Dirac a montré que la relativité d’Einstein impliquait que chaque particule de l’univers avait une antiparticule correspondante, chacune ayant la même masse que sa jumelle, mais avec une charge électrique opposée.
La chasse était ouverte pour trouver une vérification expérimentale de cette hypothèse ; un postdoc de Caltech nommé Carl D. Anderson allait gagner la course.
Anderson est né en 1905 de parents suisses à New York. Lorsqu’il avait 7 ans, la famille a déménagé à Los Angeles, et ses parents ont divorcé peu après. Anderson a aidé à soutenir la famille à un très jeune âge, mais a tout de même réussi à obtenir une éducation universitaire à Caltech. Il avait initialement l’intention d’étudier le génie électrique, mais s’est tourné vers la physique après avoir suivi un cours particulièrement inspirant sur le sujet. Il a finalement obtenu un doctorat en génie physique (aujourd’hui connu sous le nom de physique appliquée) à Caltech.
Anderson a passé la majeure partie de sa carrière à Caltech. Ses premières recherches portaient sur les rayons X, mais Victor Hess a ensuite découvert les rayons cosmiques en 1930. Sur les conseils de son mentor, Robert A. Millikan, Anderson s’est tourné vers l’étude de ces particules à haute énergie. Pour ce faire, la plupart des scientifiques utilisaient des chambres à nuages : un cylindre court avec des plaques d’extrémité en verre contenant un gaz saturé de vapeur d’eau. Si une particule ionisante traverse la chambre, elle laisse une traînée de gouttelettes d’eau, qui peuvent être photographiées. En mesurant la densité des gouttelettes, les scientifiques peuvent déduire la quantité d’ionisation produite – ce qui indique le type de particule qui a traversé.
Anderson a construit sa propre version améliorée d’une chambre à nuages, en incorporant un piston afin de pouvoir faire chuter la pression très rapidement. Il a également utilisé un mélange d’eau et d’alcool dans la chambre. Et il a obtenu de bien meilleures photos que ses collègues. Il a entouré sa chambre d’un grand électroaimant, qui a fait en sorte que les trajectoires des particules ionisantes se courbent en trajectoires circulaires. En mesurant la courbure de ces trajectoires, il pouvait calculer le momentum des particules et déterminer le signe de la charge.
Les photographies obtenues ont surpris Anderson en révélant que les rayons cosmiques produisaient des pluies de particules chargées positivement et négativement, et que les charges positives ne pouvaient pas être des protons, comme on pourrait s’y attendre, car le rayon de la trajectoire spécifierait une distance d’arrêt du proton beaucoup plus courte que la longueur de la trajectoire.
Anderson et Millikan ont émis l’hypothèse que peut-être les particules chargées positivement étaient des électrons voyageant dans la direction opposée.
Pour tester l’hypothèse, Anderson a placé une plaque de plomb dans la chambre. Lorsque les particules traversaient la plaque, elles ressortaient de l’autre côté avec une énergie plus faible qu’au départ, ce qui permettait de déduire le sens du déplacement.
En août 1932, Anderson enregistra la photographie historique d’un électron chargé positivement (aujourd’hui appelé positron) traversant la plaque de plomb dans la chambre à nuages. Il s’agissait bien d’une particule chargée positivement, et elle se déplaçait vers le haut.
Malgré le scepticisme initial de la communauté scientifique, le résultat d’Anderson a été confirmé l’année suivante, et les scientifiques ont conclu que le positron était l’un des deux électrons positifs et négatifs produits lorsqu’un rayon gamma se transformait en matière.
Sa découverte a valu à Anderson un prix Nobel de physique en 1936, à l’âge de 31 ans – la plus jeune personne à être ainsi honorée. Les antiprotons – des protons ayant une charge négative au lieu de la charge positive habituelle – ont été découverts par des chercheurs de l’université de Californie à Berkeley en 1955, et l’antineutron a été découvert l’année suivante. Il faudra attendre encore 30 ans pour que les scientifiques créent les premiers anti-atomes.
En 1995, les chercheurs du CERN ont utilisé l’anneau d’antiprotons à basse énergie (LEAR) pour ralentir plutôt qu’accélérer les antiprotons. Ce faisant, ils ont réussi à apparier des positrons et des antiprotons, produisant ainsi neuf anti-atomes d’hydrogène, chacun ne durant que 40 nanosecondes.
En trois ans, le groupe du CERN produisait jusqu’à 2000 atomes d’anti-hydrogène par heure.
Ce n’est toujours pas suffisant pour réaliser une propulsion pratique de l’antimatière. Il faudrait des tonnes d’antiprotons pour voyager vers des destinations interstellaires, or l’installation du CERN ne produit en un an que suffisamment d’antiprotons pour allumer une ampoule de 100 watts pendant trois secondes. Et c’est sans compter les énormes quantités d’énergie nécessaires pour alimenter les faisceaux intenses qui produisent les antiprotons.
Néanmoins, en 2000, des scientifiques de la NASA ont annoncé les premiers modèles d’un moteur à antimatière qui pourrait être capable d’alimenter un vaisseau spatial pour un voyage vers Mars en utilisant seulement un millionième de gramme d’antimatière.
Le positron a trouvé une application utile : la tomographie par émission de positrons (TEP). Cette technique d’imagerie médicale utilise les annihilations à faible énergie d’électrons et de positrons pour imager le fonctionnement interne du cerveau, en injectant des noyaux radioactifs à un patient et en observant les paires de rayons gamma qui en résultent. L’énergie produite est insuffisante pour former la particule la plus légère et l’antimatière et émerge à la place sous la forme de deux rayons gamma.