Les défis de l’antimatière

Plonger dans l’Infiniment petit, c’est se condamner à la même frustration que les explorateurs de l’infiniment grand, qui trouvent toujours de nouvelles galaxies derrière les plus lointaines galaxies. De fait, Il y a toujours plus petit derrière la plus petite des particules découvertes. Mieux  derrière la matière, il y aurait même une antimatière. Une incroyable hypothèse sur la structure même de notre univers.

Pendant presque vingt-quatre siècles, la pensée européenne a été dominée par une idée germée dans le cerveau d’un philosophe grec.C’est au 

ive siècle avant J.-C. que Démocrite a l’intuition que la matière du monde est constituée de particules élémentaires. Les corps matériels pourraient ainsi se diviser en une multitude d’autres corps, infiniment petits.

Pour le philosophe grec, qui ne perçoit le monde que comme une entité finie, il est impensable que la matière puisse être décortiquée en éléments de plus en plus petits, jusqu’a l’infini. Il baptise donc atomes (d’un mot grec signifiant : « indivisible » les particules de matière impossibles à dissocier.

C’était déjà une idée très avancée pour l’époque. Elle ne sera pas remise en question avant des siècles. Probablement parce qu’elle était, pour des raisons techniques, complètement invérifiable.

Il faudra attendre les travaux de Lavoisier (1743-1794) et de Dalton (1766-1844), suivis par les recherches de Richter, de Proust, de Gay-Lussac et d’Ampère. pour que le monde scientifique commence à douter de l’indivisibilité de ces « briques » fondamentales de notre matière.

En fait, l’atomisme allait même marquer le pas jusqu’à la fin du

xx siècle et le début du xx. Les deux théories qui fondent la physique moderne vont faire voler en éclats la vieille idée du philosophe grec. La découverte de la relativité et de la mécanique quantique font perdre à l’homme ses certitudes sur le temps et sur le déterminisme des phénomènes naturels.

Dans le même temps, les développements de la physique expérimentale bouleversent notre connaissance des structures de la matière. Au fil des années, l’atome ne va pas

cesser de se morceler entre les mains des physiciens. On le scinde en protons, en neutrons, en électrons, et puis en particules élémentaires.

Indestructible selon Démocrite, plein selon Newton,l’atome  devient brisé. Ses fragments vont permettre aux scientifiques d’établir des modèles, toujours plus fins, d’analyse de notre monde et d’expliquer, avec toujours plus de précision, les propriétés de la matière. Depuis, l’exploration du monde des particules élémentaires n’a pas cessé, notamment par la mise en œuvre de matériels de plus en plus sophistiqués, comme les accélérateurs de particules, ces outils de base de la physique nucléaire et des autres branches de la physique.

Toute médaille a son revers : en marge de ces travaux, il y a le spectre de la fission nucléaire militaire. Dans ce domaine, la responsabilité des plus grands physiciens de l’époque, Einstein en premier, est engagée. Si on peut leur pardonner  il faudrait, au contraire, les féliciter  d’avoir ouvert la « boîte de Pandore » de la physique nucléaire, on leur passera difficilement leur participation directe et leurs initiatives dans  la construction de la première bombe atornique américaine …

Malgré toutes ces recherches sur les particules élémentaires, on ignore toujours ce qu’est réellement la matière. Déjà, pour quelques théoriciens, la notion même de particules élémentaires est suspecte  cet aspect élémentaire pourrait n’être que provisoire et lié à l’état actuel de nos techniques.

Chaque nouvelle étape dans la compréhension de la structure de notre univers correspond à une nouvelle descente vers le cœur et les secrets de l’infiniment petit. D’après le physicien américain Gell-Mann, il y aurait déjà des particules plus élémentaires que les autres  ce sont les quarks. Ces quarks eux-mêmes pourraient déjà être éclatés  en  particules encore plus infimes, qui pourraient, à leur tour … Et ainsi de suite jusqu’à  la particule ultime, dont rien ne nous dit qu’elle existe vraiment !

Plutôt que de chercher à savoir ce qu’il y a au fond du miroir, d’autres physiciens se sont demandé ce qu’il peut y avoir de l’autre côté du miroir. Derrière la matière. Pour comprendre leur démarche, il faut remonter quelque peu dans le temps, juste après l’ébranlement définitif causé par l’irruption de la relativité et de la théorie des quanta dans la physique moderne.

On se pose alors une question  la lumière est-elle faite d’ondes ou de particules ? Les deux théories sont rigoureusement opposées. Ondes ou corpuscules ? Le débat fait rage. Il sera tranché par Louis de Broglie en 1925 et par Schrödinger en 1927, avec l’établissement de la théorie de la mécanique ondulatoire.

Peu de temps après, Paul Dirac, un jeune physicien anglais, formule une théorie quantique de l’électron, en insérant   des éléments pris à la théorie de la relativité selon Einstein dans la mécanique ondulatoire.

De nouvelles équations apparaissent. Stupeur  elles prouvent indubitablement l’existence de particules ignorées jusque-là, les antiparticules. D’après Dirac, qui publie ses  travaux en 1929, chaque antiparticule est la  correspondante d’une particule. Ce qui les  différencie, c’est le chargement de leur structure électrique, positive ou négative.

En 1932, l’hypothèse de Dirac est confirmée   par le physicien C.D. Anderson, qui identifie un positon  un électron positif sur des photographies de traces de rayons cosmiques, prises dans une chambre de Wilson. Plus tard, d’autres antiparticules seront encore détectées.

Peu à peu, la notion d’antimatière prend corps. Par analogie avec les antiparticules, cette antimatière serait l’équivalent de la matière. Elle serait formée d’antiatomes, des atomes composés d’antiparticules.

Particules et antiparticules ne sauraient pourtant coexister en paix, du moins à portée les unes des autres. Elles sont vouées à réagir vivement, en se détruisant mutuellement dans un prodigieux dégagement d’énergie. On dit qu’elles s’annihilent.

Ce phénomène explique sans doute pourquoi les antiprotons, les antineutrons et les antiélectrons, créés artificiellement dans des  laboratoires faits de matière, ont une durée de vie particulièrement courte. Leur apparition est extrêmement fugace. Ils n’en existent pas moins. Par contre, l’existence de l’antimatière n’a jamais pu être établie formellement jusqu’à présent, personne n’a pu fabriquer, ni même observer, cette antimatière.

Ce qui n’a pas empêché les imaginations de s’enflammer à ce propos. En 1979, quand on a découvert la présence d’antiprotons dans le rayonnement cosmique, certains physiciens ont voulu y voir la preuve de l’existence d’antimondes et d’anti planètes !

Si les équations qui décrivent la structure  profonde de la matière sont justes, elles doivent s’appliquer à cette hypothétique antimatière. Il n’est donc plus impossible de concevoir, en toute logique et en toute bonne foi, un univers symétrique, composé pour moitié de matière, pour moitié d’antimatière.

Reste à expliquer pourquoi l’antimatière est si rarissime dans notre univers. Pour les physiciens, ces antimondes et cet antiunivers ne restent pourtant que des vues de l’esprit. Même aux confins les plus éloignés de notre univers, de tels antimondes n’ont pas été détectés.  Ils sont peut-être même impossibles.

Pour comprendre ce point de vue, majoritaire dans le monde scientifique, il est nécessaire de faire un petit détour du côté de l’atome, pour étudier quelques-unes de ses lois élémentaires. Vouloir comprendre l’antimatière nécessite déjà une bonne perception des structures de la matière. Après tout, matière et antimatière pourraient n’être que deux aspects différents d’une entité !

Paradoxalement, c’est la chimie qui donne une certaine légitimité à la notion d’atome. En 1892, Lord Raleigh mesure le fameux nombre d’Avogadro : c’est le nombre de molécules contenues dans une mole de gaz quelconque, une mole étant la quantité de substance dont la masse, exprimée en grammes, est égale au poids moléculaire du composé. En fait, les travaux de Raleigh permettent de mesurer la masse de l’atome. Et, donc, de se faire une idée de ses dimensions. On trouvera 10 – 10 microns …

En 1896, Becquerel observe l’émission spontanée de rayons par les minerais d’uranium. Même si on ne comprend pas alors le phénomène, on le baptise « radioactivité ». Avec les travaux de Pierre et Marie Curie, on se fait une idée plus précise du rayonnement atomique de certains minéraux. Plus tard, on comprendra que cette radioactivité ne vient pas de l’ensemble de l’atome, mais d’un de ses éléments fondamentaux : le noyau atomique.  

Enfin à la suite des travaux de Crookes, de Jean Perrin et de J.J. Thomson sur le passage de l’électricité à travers un gaz, les physiciens de la fin du XIXe siècle apprennent l’existence d’un objet nouveau, mais primordial pour l’avenir de leur science  l’électron.

Sur le plan théorique, l’électromagnétisme  restera sans doute comme une des plus belles acquisitions de ce XIXe siècle. Son auteur, Maxwell, a permis de « déblayer » le terrain, préparant ainsi les recherches d’Einstein et  sa théorie de la relativité.

En 1900, les scientifiques considèrent la physique comme une discipline achevée et parfaitement au point ! Pour eux, il ne reste plus grand-chose à découvrir …

Seuls deux points  de détail  restaient en suspens. La célèbre expérience de Michelson et Morley (1887) avait montré que la lumière  se déplace à la même vitesse dans tous les  systèmes basés sur les idées de Galilée, ce  qui demeure inexplicable par la théorie de la  relativité.

Autre point  de détail  le spectre du rayonnement du corps noir, lui aussi incompréhensible dans la théorie classique. Il donnera naissance à la théorie des quanta.

On croyait tout fini. L’essentiel restait à faire. Il fallait encore pénétrer au cœur de l’atome. La réponse apportée aux deux dernières questions allait révolutionner la physique.