Loading presentation...

Present Remotely

Send the link below via email or IM

Copy

Present to your audience

Start remote presentation

  • Invited audience members will follow you as you navigate and present
  • People invited to a presentation do not need a Prezi account
  • This link expires 10 minutes after you close the presentation
  • A maximum of 30 users can follow your presentation
  • Learn more about this feature in our knowledge base article

Do you really want to delete this prezi?

Neither you, nor the coeditors you shared it with will be able to recover it again.

DeleteCancel

Make your likes visible on Facebook?

Connect your Facebook account to Prezi and let your likes appear on your timeline.
You can change this under Settings & Account at any time.

No, thanks

L'antimatière

Travail réalisé dans le cadre des TPE au lycée Michel Montaigne à Bordeaux
by

Eline Rolin-Baugue

on 18 February 2014

Comments (0)

Please log in to add your comment.

Report abuse

Transcript of L'antimatière

Conclusion :
L’antimatière aurait donc de nombreuses utilités, plus ou
moins réalisables. En effet, nous avons vu qu’elle était la promesse
de meilleurs résultats dans le domaine médical, notamment pour la cancérologie. De plus, l’antimatière pourrait d’ici la fin du siècle, nous permettre de découvrir et d’explorer les confins de l’espace.

Aujourd’hui même si les chercheurs ont réussi à créer de l’antimatière, leur but reste de comprendre pourquoi elle ne se trouve pas dans l’Univers. Ils cherchent aussi la raison pour laquelle elle n’apparaît pas en quantité égale avec la matière.

Alors que jusqu’à maintenant les scientifiques parvenaient seulement à piéger des antiatomes dans un champ magnétique, le 21 janvier 2014, les chercheurs du CERN ont produit le premier faisceau d’antihydrogène.
C'est-à-dire qu’ils ont réussi à déplacer ces antiatomes hors du
« piège », vers un champ magnétique plus faible. L’antimatière a
ainsi parcouru 2,7 mètres.

3- Création
de l'antimatière
a) Le CERN
b) Les Dates
1965
: création du premier anti-noyau
de l'antiatome du Deutérium (un isotope de l'hydrogène) au CERN
Introduction
L'antimatière est pour beaucoup une
notion qui rime avec science-fiction, en
effet elle apparaît dans de nombreuses
productions futuristes (Star Trek, Anges et Démons...). Cependant pour les scientifiques l'antimatière est un véritable sujet de recherche, suscitant l’intérêt des savants du monde entier. Ainsi en l'espace d'un siècle elle est devenue une réalité qui présenterait même des utilisations pour le futur. Evidement les recherches se poursuivent et de nouvelles découvertes sont faites régulièrement.
L'Antimatière

I- L'antimatière
1- Définition
2- Découverte
3- Création
II- Ses applications dans le futur
1- Une source d'énergie
2- La médecine
3- Propulsion par antimatière
I- L'antimatière
1- Définition
Tout d'abord l'antimatière est l'exacte opposée de la
matière. C'est-à-dire que les particules qui la composent
sont de charges électriques opposées à celle de la matière.

Cependant, l’opposition n’a lieu
qu’au niveau des charges. En effet
la masse d’une particule et celle de
son antiparticule sont égales ainsi que
leur durée de vie. Lorsque les deux particules se rencontrent elles s’annihilent (ces particules disparaissent), générant ainsi de l’énergie pure, selon la formule E=mc² (avec m la masse de la particule
multipliée par la célérité de la lumière
au carré).
En 1928, le physicien anglais Paul Dirac,
futur prix Nobel, se lance dans une étude
portant sur l’électron (et notamment sur sa
rotation). Il faut savoir qu’à cette époque les scientifiques commencent à peine à découvrir les composants de la matière (ils ne connaissent que le proton et l’électron de l’atome). Paul Dirac développe (en s’appuyant sur des théories d’Einstein) une équation décrivant les propriétés de l’électron. Cela va le mener
à formuler l’hypothèse selon laquelle il existerait une particule opposée à l’électron : le positron qui est une
antiparticule (composant de l’antimatière).
2- Découverte
Paul Dirac
En 1932, Carl Anderson
(physicien américain) observe
pour la première fois le positron
en laboratoire dans une chambre à brouillard.
Une chambre à brouillard ou
chambre de Wilson est une pièce fermée
et contenant un gaz maintenu à une certaine
pression et à une certaine température, de
manière à ce qu'elle soit saturée en vapeur
(totalement remplie en vapeur). Dès lors qu'une particule chargée électriquement traverse cette vapeur (gaz) cela provoque sur son passage la formation d'une micro-trainée
de gouttelettes de condensation qui matérialise la
trajectoire de la particule et qui permet de la détecter
(grâce à une photographie ou à un film). Mais l'épaisseur et
la longueur de la trainée donnent aussi des informations
sur la quantité d'énergie et la nature de la particule observée : en effet, chaque type de particule produit une trace caractéristique permettant de l'identifier. La
chambre à brouillard permet donc de détecter et
d’observer de nombreuses particules mais
aussi des antiparticules donc de
l’antimatière.

En 1955, Emilio Segrè et Owen Chamberlain (prix nobel de physique en 1959) découvrent l'antiproton.
En 1960, Bruce Cork découvre l'antineutron.
L’antimatière ne se trouve pas dans la nature, il faut
donc la créer en laboratoire, une organisation y travaille
depuis de nombreuses années : le CERN.
Le CERN, Organisation européenne pour la recherche nucléaire (anciennement Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), est sans aucun doute l’un des plus grands et plus prestigieux laboratoire scientifique du monde. Situé près de Genève, de part et d’autre de la frontière franco-suisse, il a pour but la découverte des constituants et des lois de l’Univers, on appelle cela la physique fondamentale. A l’origine la recherche avait pour objectif l’étude de l’atome et particulièrement son
noyau (d’où le terme nucléaire). Aujourd’hui les recherches
sont plus axées sur la physique des particules,
c'est-à-dire les composants fondamentaux de la
matière ainsi que ceux de l’Univers.
Créée en 1954 par onze gouvernements
européens et avec le soutien de l’UNESCO, il est
le résultat d’une idée de Louis de Broglie (prix Nobel de
la physique). Après la Seconde Guerre mondiale très peu
de laboratoires européens étudiaient la physique. Le CERN a donc
été l’une des premières organisations à l’échelle européenne.
Aujourd’hui vingt états en sont membres (l’Allemagne, l'Autriche, la
Belgique, la Bulgarie, le Danemark, l'Espagne, la Finlande, la France, la
Grèce, la Hongrie, l'Italie, la Norvège, les Pays-Bas, la Pologne, le Portugal,
la République slovaque, la République tchèque, le Royaume-Uni, la Suède et
la Suisse). Ils contribuent au budget du CERN et sont représentés au
Conseil où les décisions importantes sont prises. Cependant certains
Etats non membres peuvent également assister aux réunions sans
prendre part aux décisions. Il faut aussi savoir que des scientifiques de plus de 600 instituts et universités du monde entier utilisent les installations du CERN : ainsi 113 nationalités sont représentées. Mais
ce qui montre le plus l’importance du CERN est probablement le fait
que la moitié des physiciens des particules du monde viennent y
mener des recherches. Le CERN quand à lui emploie 2400
personnes environ, incluant le personnel scientifique et
technique.
1995
: création des premiers atomes d'antihydrogène au CERN
18 novembre 2010
: Les chercheurs du CERN réussissent pour la première fois à piéger des antiatomes dans un champ
magnétique (juste 1/6 de seconde)
c) Le
LHC
Le LHC (Large Hadron Collider) est le plus
puissant des accélérateurs de particules au
monde (et également l'expérience la plus onéreuse
de l’histoire avec un budget de 9 milliards de dollars).
Mis en fonctionnement le 10 septembre 2008, il se situe
au CERN et a été construit dans un tunnel circulaire de
27 km, enterré à 100 m de profondeur. Il sert à accélérer
des protons de haute énergie (grâce à un puissant champ
magnétique) : ceux-ci circulent dans deux faisceaux
tournants à contre sens afin qu’ils s’entrechoquent. En effet
lors du choc une partie de l’énergie peut être transformée
en particules et antiparticules (rappelons que pour chaque
particule créée, une antiparticule doit l’être aussi). De
plus la création d’une paire électron/positron est
rendue possible par le fait que ses particules
peuvent être émises dans des directions
différentes, si bien qu’elles ne s’annihilent
pas dès leur formation.
LHC
même masse,
même durée de vie
électron : négatif
proton : positif
neutron : neutre
photon
positron : positif
antiproton : négatif
neutron : neutre
photon
Particule de
matière
Particule d'antimatière
II- Les applications dans le futur
1- Une source d'énergie
Dans Anges et Démons de Dan Brown, une secte utilise
quelques grammes d’antimatière sous la forme d’une bombe d’antimatière volée au CERN pour essayer de détruire le Vatican.
Ce livre a suscité de nombreuses interrogations sur les dangers de l’invention qu’est l’antimatière. On peut donc se demander s’il serait possible d’utiliser de l’antimatière comme énergie ou comme arme.
Lorsque l’antimatière et la matière entrent en contact, elles
s’annihilent, c’est-à-dire qu’elles se détruisent mutuellement : lors
de cette destruction, la masse de la particule et celle de son
antiparticule se transforment en énergie pure. En effet, l’annihilation d’une
centaine de grammes d’antimatière pourrait libérer l’équivalent de l’énergie
produite par une centrale nucléaire en une année. L’antimatière pourrait donc se
révéler être une source d’énergie économe. Malheureusement, l’antimatière ne peut
pas être utilisée comme source d’énergie car même si l’annihilation entre matière et antimatière crée de l’énergie, l’antimatière ne se trouve pas dans la nature.

On peut donc penser à fabriquer de l’antimatière pour faire entrer matière et antimatière en collision volontairement. Mais ce n’est pas une idée rentable car la fabrication ainsi que le stockage de l’antimatière nécessitent une quantité d’énergie beaucoup plus importante que l’énergie produite. En effet, l’inefficacité de la production d’antimatière est énorme : on
n'obtient qu’un cent huitième de l’énergie investie dans la fabrication d’antimatière, or : la fabrication d’antimatière coûte très cher.

De plus, il faut énormément de temps pour produire un tout petit peu d’antimatière : en effet,
si l’on pouvait regrouper toute l’antimatière créée au fil des années au CERN et l’annihiler
avec de la matière, on obtiendrait juste assez d’énergie pour alimenter une ampoule
électrique pendant quelques minutes.

L’antimatière ne pourrait pas non plus servir d’arme car contrairement aux
événements dans Anges et Démons, l’antimatière ne peut pas être fabriquée
en « grande quantité » (seulement quelques grammes) mais elle pourrait
servir de détonateur (dispositif de mise à feu d'un engin explosif).

L’antimatière serait dangereuse si on en
fabriquait quelques grammes, or cela prendrait
des milliards d’années : il faudrait 10 000 milliards de
milliards d’antiatomes pour fabriquer un gramme
d’antimatière qui serait alors destructeur alors que l'on ne
peut produire que 38 antiatomes en quelques mois.
Il faudrait donc des milliards d’années pour fabriquer une bombe à antimatière ayant la même capacité destructrice qu’une bombe à hydrogène « classique », comme il en existe déjà plus de dix mille.

L’antimatière, en tant qu’énergie ou en tant qu’arme, n’est donc pas envisageable à ce jour car celle-ci est très chère et très longue à fabriquer. La seule solution pour utiliser l’antimatière serait donc de la trouver dans la nature mais
cela n’est encore jamais arrivé.


2-La médecine

Principe de la TEP :
Les cellules consomment du glucose pour leurs besoins
en énergie, cette source est naturellement présente dans le sang.
Ainsi lorsque l’activité des cellules est importante cette consommation
augmente. Les cellules cancéreuses consomment beaucoup plus d’énergie
que les cellules normales (car elles se reproduisent sans cesse). Leur
consommation de glucose est ainsi très élevée. Grâce à cela les scientifiques peuvent repérer les tissus endommagés.
Dans un premier temps, on va injecter au patient, une molécule traceuse obtenue avec la synthèse du fluor 18 incorporée dans une molécule de glucose. Elle est
appelée fluorodésoxyglucose (FDG) et est radioactive. Cette molécule a la particularité d’aller vers les organes et les cellules qui utilisent le plus de glucose : les tissus cancéreux, le cœur ou bien le cerveau. Le patient va observer une phase de repos d'environ 1 heure, dans l’obscurité, pour permettre au FDG de rejoindre les zones consommatrices de glucose.

L’antimatière est utilisée dans le domaine de la médecine,
en effet plusieurs techniques médicales utilisent des
antiparticules. Nous étudierons dans cette partie deux méthodes :
la TEP et les thérapies par faisceaux de particules ou d’antiparticules.



La tomographie par émission de positons est une technique d’imagerie qui existe depuis 1975 et qui relève de la scintigraphie (technique d'imagerie qui, en médecine nucléaire, permet d’explorer tous les organes). Elle est réalisée en milieu hospitalier et dure environ une demi-heure. C’est un examen à visée diagnostique, il ne permet pas de soigner les tumeurs ou les cancers détectés préalablement. La TEP consiste à injecter une substance radioactive par voie intraveineuse (dans les veines) et à détecter les positrons produits par la suite. Elle donne une image de l’activité
cellulaire à l’intérieur du tissu observé.
La TEP intervient dans différents domaines médicaux : en
cancérologie (détecter les tumeurs), en cardiologie (analyser
le flux sanguin) et en neurologie (évaluer les fonctions
cérébrales).
molécule de glucose
molécule de fluorodésoxyglucose
Equation de réaction de la désintégration béta+
L’émission des deux photons permet de suivre grâce à
une caméra TEP la consommation de FDG. Les résultats sont
restitués par des images sur un écran. Grâce à des niveaux de luminosité et des couleurs différentes on identifie les défauts de fonctionnement des tissus ou des organes. Le patient excrétera par voie urinaire le reste de substance radioactive (qui reste extrêmement faible) ce qui permet de ne pas affecter le fonctionnement de l’organisme
Actuellement il existe plusieurs formes de radiothérapie pour
vaincre les cancers comme par exemple la protonthérapie. Cette dernière
consiste à détruire les cellules cancéreuses par émission de protons, sans
endommager les tissus sains. Le mécanisme consiste à diriger un faisceau de
protons sur la zone à traiter. L’action de ces particules n’atteint pas les tissus
superficiels et donc n’abîme pas la peau. C’est seulement sur le dernier millimètre que les
protons agissent. Ainsi en calculant bien son énergie de départ, il est possible de prévoir une
longueur précise du faisceau pour le conduire directement sur les cellules cancéreuses.

Cependant, même si elle est plus efficace que la radiothérapie par rayons X (radiographie la plus
utilisée, utilisant des électrons qui peuvent avoir des effets secondaires sur l’organisme humain)
cette solution n’est pas parfaite car les tissus entourant les cellules cancéreuses peuvent être un
peu dégradés.

Les chercheurs ont donc pensé à l’antimatière pour plus d’efficacité. En effet, les particules d’antimatière et les particules de matière (les cellules cancéreuses) lorsqu’elles rentrent en contact se détruisent mutuellement en créant de l’énergie. Cette énergie peut fragmenter les antiprotons et les projeter sur les cellules cancéreuses voisines, ce qui les détruit également.

Les chercheurs du CERN ont donc réalisé une expérience (ACE : Expérience antiprotons/cellule) afin de comparer l’efficacité des deux procédés, celui avec et celui sans antimatière. Pour cela ils ont soumis des cellules à un faisceau de protons puis d’antiprotons et ont ensuite comptabilisé les cellules
vivantes restantes. Suite à cette expérience, les scientifiques ont prouvé que les antiprotons
étaient quatre fois plus efficaces que les protons pour détruire les cellules cancéreuses.
De plus les antiprotons conservent davantage les tissus sains.
Même si cette découverte est exceptionnelle cette technique n’est pour le moment qu’un
projet, en effet sa mise en œuvre prendra du temps (au moins une dizaine d’années si
aucun problème ne survient) car les procédures de validation des nouveaux
traitements sont très longues.

a) La TEP
b) La radiothérapie
En 2012 Richard Obousy un ingénieur
américain a imaginé les plans d’une sonde
propulsée par de l’antimatière. Elle permettrait un
aller-retour à une étoile en seulement 50 ans alors qu’actuellement il faudrait 70000 ans à l’engin le plus
rapide (Pioneer 10) pour rejoindre l’étoile la plus proche (Proxima du Centaure). Cette idée de propulsion à l’antimatière n’est cependant pas nouvelle, cela fait plusieurs années que les chercheurs y pensent mais pas seulement eux : en 1960 les scénaristes de Star Trek ont imaginé que le vaisseau du capitaine carburait à l’antimatière !
3- Propulsion
Pioneer 10
Vaisseau de star trek
Mais revenons au projet de Richard Obousy.
Sa sonde serait propulsée par l’annihilation de matière
et d’antimatière, l’énergie libérée est considérable : un kilo
d’antimatière en libère 6 milliards de fois plus qu’un kilo de
combustible actuel. En éjectant les particules très riches en énergie
à toute vitesse vers l’arrière du vaisseau la vitesse serait suffisante
pour effectuer un aller-retour interstellaire.

Cependant un problème se pose : il faudrait 10 kg d’antimatière par année de
voyage or la production mondiale est estimée à dix milliardièmes de grammes par
an. C’est là qu’intervient l’idée d’Obousy : utiliser l’effet Schwinger c’est-à-dire concentrer en un point de l’espace une grande quantité d’énergie (par exemple avec plusieurs lasers) pour créer une particule et une antiparticule. Cela peut sembler étrange de faire surgir de l’antimatière dans du vide mais les scientifiques savent l’expliquer.
Obousy a imaginé équiper son vaisseau de nombreux lasers disposés en cercle qui en visant le centre de ce cercle feraient apparaître de la matière et de l’antimatière. Pour alimenter ces lasers, des panneaux solaires gigantesques seraient installés. Leur surface représenterait environ 20 fois la taille de Paris,
ce qui ne poserait cependant aucun problème à la vitesse de la navette puisque
dans l’espace il n’y a pas de matière est donc pas de frottements qui
pourraient ralentir la sonde.

Grâce à ce système le vaisseau pourrait faire
le plein d’antimatière avant son départ, en orbite autour de la terre. En effet entre le soleil et l’étoile cible la sonde naviguerait dans le noir de l’espace et les panneaux n'y seraient plus d’aucune utilité. L’antimatière doit donc être stockée, ce qui est compliqué vu qu’elle ne doit pas toucher la matière.
Heureusement, les scientifiques ont déjà trouvé la solution : les champs magnétiques qui maintiennent l'antimatière.
Ce projet serait réalisable d’ici la fin du siècle,
mais il nécessiterait un investissement massif
de la part de plusieurs pays.

L'antimatière, quelles utilités pour le futur ?
a) Le CERN
b) Les dates
c) Le LHC
a) La TEP
b) La prontonthérapie
Bibliographie :
Antimatière dans Anges et démons
Périodiques :
Sites internet :
-ORLOFF Jean. "Retrouvera-t-on l’antimatière ?",
Les Dossiers de la Recherche, Mai 2009, n°35, p. 78-84
- "La traque de l'antimatière", La Recherche, Mars 2011, n°450, p. 38-51
- GROUSSON Mathieu. "Antimatière : est-elle la clé de l'Univers ?", Science & vie, Octobre 2009, n°1105, p. 54-67
- NICOT Fabrice. "Sur la piste de l'antimatière", Science et Vie Junior, Avril 2008, n°223, p. 40-43
- LAROUSSERIE David, ROUAT Sylvie. "L'antimatière prête à se dévoiler", Science et Avenir, Janvier 2011, n°767, p. 8-14
- GROUSSON Mathieu. "Le LHC est-il au bord d'un gouffre ?", Science et Vie, Juillet 2011, n°1126, p. 78-81
- BONNEAU Cécile. "Ils veulent utiliser l'antimatière contre le cancer", Science et Vie, Octobre 2003, n°1033, p. 64-69
- NICOT Fabrice. "Etoiles, nous voilà !", Science et Vie Junior, Décembre 2012, n°279, p. 40-43
- ENCYCLOPAEDIA UNIVERSALIS. "Antimatière", [en ligne]. Disponible sur : <http://www.universalis.fr/encyclopedie/antimatiere/>
- WIKIPEDIA [en ligne]. Disponible sur : <http://fr.wikipedia.org/wiki/> : "Albert Einstein", "Carl Enderson", "Antimatière", "Paul Dirac", "Chambre à brouillard", "CERN", "TEP", "LHC"
- FUTURA MATIERE (par Futura Sciences). "Antiparticule" [en ligne]. Disponible sur : <http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-antiparticule-5000/>
- FUTURA MATIERE (par Futura Sciences). "Antimatière, vous avez dit antimatière ?" [en ligne]. Disponible sur : <http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers
/d/physique-antimatiere-vous-avez-dit-antimatiere-501/>
- "L’histoire de l’antimatière" [en ligne]. Disponible sur : <https://sites.google.com/site/lantimatieretpe1s4grp6/home/l-histoire-de-l-antimatiere>
- ANGES ET DEMONS : LA SCIENCE ET LA FICTION (CERN). "L’antimatière peut
-elle être utilisée comme source d’énergie ?" [en ligne]. Disponible sur : <http://angelsanddemons.web.cern.ch/fr/faq/antimatter-to-create-energy>
- BANQUE DES SAVOIRS. "Antimatière : sa masse déterminerait le destin de l'Univers" [en ligne]. Disponible sur : <http://www.savoirs.essonne.fr/thematiques/lunivers/astronomie/antimatiere-sa-masse-determinerait-le-destin-de-lunivers/>
- CERN (ANGES ET DEMONS) "Vous avez dit antimatière ?" [en ligne]. Disponible sur : <http://www.lhc-france.fr/l-aventure-humaine/le-lhc-vu-par/anges-demons-58/>
- CERN. "Le CERN en bref" [en ligne]. Disponible sur : <http://home.web.cern.
ch/fr/about>
- LHC FRANCE. "Le LHC en bref" [en ligne]. Disponible sur : <http://www.lhc-france.fr/qu-est-ce-que-le-lhc/>
-NICOLAS Alexandre. "L’antimatière et ses utilisations" [en ligne]. Disponible sur : <http://www.over-blog.com/Lantimatiere_et_ses_utilisations-1095HYPERLINK "http://www.over-blog.com/Lantimatiere_et_ses_utilisations-1095203942-art398322.html"203942-art398322.html>
- FUTURA SANTE (par Futura Sciences), "La
TEP" [en ligne]. Disponible sur : <http://www.futura-sciences.com/magazines/sante/infos/dico/d/medecine-tep-8217/>
- Site de TPE : "L'antimatière" [en ligne]. Disponible sur : <http://www.tpe-antimatiere-ste-anne.sitew.com/>
- L'INTERNAUTE, "L'antimatière contre le cancer" [en ligne]. Disponible sur : <http://www.linternaute.com/science/biologie/deja-demain/06/antimatiere-cancer/antimatiere-cancer.shtml>

Dans un deuxième temps, a lieu une émission d’antiparticules (émission
de positrons) : elle permet une désintégration appelée Bêta plus . Elle
crée un atome d’oxygène et deux photons d’annihilation.
Réalisé par :

Andréa Lebat,
Ondine Michenaud,
& Eline Rolin-Baugue
Full transcript