ANTIMATIÈRE
Utilisations de l'antimatière
Les écrivains de science-fiction se sont emparés du thème de l'antimatière en lui donnant souvent le rôle d'une fabuleuse source d'énergie ; de fait, l'annihilation d'une centaine de grammes d'antimatière pourrait libérer l'équivalent de l'énergie produite par une centrale nucléaire pendant une année. L'intérêt du procédé est fort réduit tant qu'on ne dispose pas d'un gisement d'antimatière puisqu'il faudrait dépenser au moins deux fois plus d'énergie pour fabriquer cette antimatière, le processus créant autant de matière que d'antimatière ; le bilan énergétique serait donc globalement négatif. Reste l'avantage de pouvoir stocker une énergie considérable dans un volume très restreint. Les applications de l'antimatière ne sont cependant pas toutes du domaine de l'irréel, et même si les difficultés inhérentes à la manipulation des antiparticules les confinent encore dans les laboratoires, elles fournissent aux sciences physiques et à la médecine un outil nouveau et performant.
Physique du solide
L'antimatière s'est révélée comme un précieux auxiliaire pour l'étude des solides. Bien que la durée de vie d'un positon dans un solide soit typiquement inférieure à une nanoseconde, un faisceau de positons de quelques dizaines à quelques centaines de keV d'énergie peut explorer une région étendue d'un échantillon et fournir des informations très utiles sur sa structure électronique. La technique utilisée est fondée sur l'analyse des corrélations angulaires des photons émis lors de l'annihilation d'un positon du faisceau sur un électron de l'échantillon. L'analyse des surfaces, la caractérisation des défauts dans les métaux et les semi-conducteurs et la compréhension des matériaux supraconducteurs bénéficient de cette technique qui, après avoir été élaborée dans les laboratoires de recherche fondamentale, commence à être utilisée par les industries de haute technologie. On utilise aussi des antimuons ainsi que des atomes électriquement neutres de positronium – états liés d'un positon et d'un électron – produits à partir d'un faisceau de positons.
Tomographie par émission de positons
L'utilisation des positons dans le domaine médical est sans doute l'application la plus spectaculaire de l'antimatière. La tomographie par émission de positons (T.E.P.) permet d'observer in vivo et de façon quantitative des processus biochimiques et physiologiques divers. On peut ainsi étudier le cerveau humain en cours de fonctionnement au niveau de trois fonctions métaboliques essentielles : l'utilisation des sucres, de l'oxygène et des acides aminés. Le principe de la T.E.P. est de détecter les deux photons produits lors de la réaction d'annihilation d'un positon avec un électron, le positon étant dû à la désintégration β+ d'une molécule marquée par un isotope radioactif puis absorbée par le patient. Les isotopes utilisés sont principalement l'oxygène 15, l'azote 13, le carbone 11 et le fluor 18, dont les demi-vies sont respectivement de 2, 10, 20 et 110 minutes. Leur grande instabilité impose qu'on les produise sur le site même où est pratiquée la T.E.P., par un cyclotron accélérant des protons jusqu'à une énergie d'une dizaine de MeV avec un courant de quelques microampères. Ces isotopes sont incorporés – souvent par un processus « en ligne » – à des molécules simples telles que CO, CO2, CH4 ou F2 ou à des molécules plus élaborées, comme le glucose ou la dopamine, susceptibles d'être absorbées par les cellules. Ces produits sont alors suivis à la trace dans le corps humain ; chaque isotope radioactif émet un positon de faible énergie qui s'annihile presque sur[...]
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Écrit par
- Bernard PIRE : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau
- Jean-Marc RICHARD : professeur à l'université de Grenoble-I-Joseph-Fourier, responsable du groupe de physique théorique de Grenoble
Classification
Médias
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Encyclopædia Universalis France
Interprétation de Feynman
Encyclopædia Universalis France
Emilio Segrè
Keystone/ Getty Images
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