Antiproton - Antiproton

Antiproton
Structure de Quark antiproton.svg
La teneur en quark de l'antiproton.
Classification Antibaryon
Composition 2 antiquarks en haut , 1 antiquark en bas
Statistiques Fermionique
Les interactions Fort , faible , électromagnétique , gravité
Statut Découvert
symbole
p
Antiparticule Proton
Découvert Emilio Segrè et Owen Chamberlain (1955)
Masse 938,272 0813 (58)  MeV / c 2
Charge électrique −1  e
Moment magnétique -2,792 847 3441 (42)  μ N
Tourner 1 2
Isospin -1 2

L' antiproton ,
p
, (prononcé p-bar ) est l' antiparticule du proton . Les antiprotons sont stables, mais ils sont généralement de courte durée, car toute collision avec un proton entraînera l' annihilation des deux particules dans un sursaut d'énergie.

L'existence de l'antiproton avec une charge électrique -1, opposée à la charge électrique +1 du proton, a été prédite par Paul Dirac dans sa conférence du prix Nobel de 1933. Dirac a reçu le prix Nobel pour sa publication en 1928 de son équation de Dirac qui prédit l'existence de solutions positives et négatives à l' équation d'énergie d' Einstein ( ) et l'existence du positron , l'analogue d'antimatière de l'électron, avec une charge et un spin opposés.

L'antiproton a été confirmé expérimentalement pour la première fois en 1955 à l' accélérateur de particules Bevatron par l' Université de Californie, les physiciens de Berkeley Emilio Segrè et Owen Chamberlain , pour lesquels ils ont reçu le prix Nobel de physique en 1959 .

En termes de quarks de valence , un antiproton se compose de deux antiquarks en haut et d'un antiquark en bas (
u

u


). Les propriétés de l'antiproton qui ont été mesurées correspondent toutes aux propriétés correspondantes du proton, à l'exception du fait que l'antiproton a une charge électrique et un moment magnétique qui sont les opposés de ceux du proton. Les questions de savoir en quoi la matière est différente de l'antimatière, et la pertinence de l'antimatière pour expliquer comment notre univers a survécu au Big Bang , restent des problèmes ouverts - ouverts, en partie, en raison de la rareté relative de l' antimatière dans l'univers d'aujourd'hui.

Occurrence dans la nature

Les antiprotons ont été détectés dans les rayons cosmiques depuis plus de 25 ans, d'abord (1993) par des expériences portées par ballon et plus récemment par des détecteurs satellitaires. L'image standard de leur présence dans les rayons cosmiques est qu'ils sont produits lors de collisions de protons de rayons cosmiques avec des noyaux dans le milieu interstellaire , via la réaction, où A représente un noyau:


p
+ A →
p
+
p
+
p
+ A

Les antiprotons secondaires (
p
) se propagent ensuite à travers la galaxie , confinée par les champs magnétiques galactiques . Leur spectre d'énergie est modifié par des collisions avec d'autres atomes dans le milieu interstellaire, et les antiprotons peuvent également être perdus par "fuite" de la galaxie.

Le spectre d'énergie des rayons cosmiques d'antiprotons est maintenant mesuré de manière fiable et est cohérent avec cette image standard de la production d'antiprotons par des collisions de rayons cosmiques. Ces mesures expérimentales fixent des limites supérieures sur le nombre d'antiprotons qui pourraient être produits de manière exotique, par exemple à partir de l'annihilation de particules de matière noire supersymétriques dans la galaxie ou du rayonnement de Hawking causé par l'évaporation des trous noirs primordiaux . Cela fournit également une limite inférieure de la durée de vie des antiprotons d'environ 1 à 10 millions d'années. Le temps de stockage galactique des antiprotons étant d'environ 10 millions d'années, une durée de vie de désintégration intrinsèque modifierait le temps de séjour galactique et déformerait le spectre des antiprotons des rayons cosmiques. Ceci est nettement plus strict que les meilleures mesures de laboratoire de la durée de vie des antiprotons:

L'amplitude des propriétés de l'antiproton est prédite par la symétrie CPT comme étant exactement liée à celles du proton. En particulier, la symétrie CPT prédit que la masse et la durée de vie de l'antiproton sont les mêmes que celles du proton, et que la charge électrique et le moment magnétique de l'antiproton sont de signe opposé et de grandeur égale à ceux du proton. La symétrie CPT est une conséquence fondamentale de la théorie quantique des champs et aucune violation de celle-ci n'a jamais été détectée.

Liste des expériences récentes de détection des rayons cosmiques

  • BESS : expérience en ballon, effectuée en 1993, 1995, 1997, 2000, 2002, 2004 (Polar-I) et 2007 (Polar-II).
  • CAPRICE: expérience en ballon, réalisée en 1994 et 1998.
  • HEAT: expérience en ballon, effectuée en 2000.
  • AMS : expérience spatiale, prototype piloté sur la navette spatiale en 1998, destinée à la Station spatiale internationale , lancée en mai 2011.
  • PAMELA : expérience satellitaire pour détecter les rayons cosmiques et l'antimatière depuis l'espace, lancée en juin 2006. Un rapport récent a découvert 28 antiprotons dans l' anomalie de l'Atlantique Sud .

Expériences et applications modernes

Accumulateur d'antiprotons (au centre) au Fermilab

Production

Des antiprotons étaient régulièrement produits au Laboratoire Fermi pour les opérations de physique des collisionneurs dans le Tevatron , où ils étaient entrés en collision avec des protons. L'utilisation d'antiprotons permet une énergie moyenne de collisions entre quarks et antiquarks plus élevée que ce qui serait possible dans les collisions proton-proton. En effet, les quarks de valence dans le proton et les antiquarks de valence dans l'antiproton ont tendance à porter la plus grande fraction de l'impulsion du proton ou de l'antiproton .

La formation d'antiprotons nécessite une énergie équivalente à une température de 10 billions de K (10 13  K), et cela n'a pas tendance à se produire naturellement. Cependant, au CERN , les protons sont accélérés dans le synchrotron à protons à une énergie de 26 G eV , puis écrasés dans un bâtonnet d' iridium . Les protons rebondissent sur les noyaux d'iridium avec suffisamment d'énergie pour que la matière soit créée . Une gamme de particules et d'antiparticules se forme et les antiprotons sont séparés à l'aide d'aimants sous vide .

Des mesures

En juillet 2011, l' expérience ASACUSA au CERN a déterminé que la masse de l'antiproton était 1 836 .152 6736 (23) fois celle de l' électron . C'est la même chose que la masse d'un proton, dans les limites du niveau de certitude de l'expérience.

En octobre 2017, des scientifiques travaillant sur l' expérience BASE au CERN ont rapporté une mesure du moment magnétique antiproton avec une précision de 1,5 partie par milliard. Elle est cohérente avec la mesure la plus précise du moment magnétique du proton (également réalisée par BASE en 2014), qui conforte l'hypothèse de symétrie CPT . Cette mesure représente la première fois qu'une propriété de l'antimatière est connue plus précisément que la propriété équivalente dans la matière.

Applications possibles

Des expériences de laboratoire ont montré que les antiprotons avaient le potentiel de traiter certains cancers, dans une méthode similaire actuellement utilisée pour la thérapie ionique (protont). La principale différence entre la thérapie antiprotonique et la protonthérapie est qu'après le dépôt d'énergie ionique, l'antiproton s'annihile, déposant de l'énergie supplémentaire dans la région cancéreuse.

Voir également

Les références