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La mystérieuse collision de particules et d'antiparticules : pourquoi disparaissent-elles mais en créent-elles de nouvelles ?
En physique des particules, les processus de disparition et de création révèlent les étranges propriétés de l'univers. Ce phénomène, plus communément appelé « annihilation », se produit lorsqu'une paire de particules subatomiques entrent en collision avec leurs antiparticules correspondantes, créant ainsi d'autres particules. Par exemple, lorsqu’un électron entre en collision avec un positon, deux photons peuvent être générés. Dans ce processus, l’énergie totale et l’impulsion de la paire de particules initiale sont conservées et réparties entre les particules dans l’état final. L’annihilation des particules et des antiparticules n’est pas seulement un principe fondamental de la physique, mais aussi une clé importante pour comprendre la structure fondamentale de l’univers.
Dans le processus d'annihilation à faible énergie, la génération de photons est l'événement le plus probable.
Le processus d'annihilation des particules et des antiparticules suit plusieurs lois de conservation fondamentales en physique, notamment la conservation de l'énergie, la conservation de la quantité de mouvement et la conservation du spin. Cela signifie que même dans les événements où de petites particules interagissent, la quantité totale doit être cohérente. Parallèlement, l’existence des antiparticules permet d’observer de nombreux phénomènes, dont le plus intéressant est l’annihilation qu’elles provoquent dans les collisionneurs de particules à haute énergie, qui produisent une variété de particules lourdes.
La relation entre l'annihilation et la génération
Le terme « annihilation » est souvent utilisé de manière informelle par les universitaires pour décrire l'interaction entre deux particules qui ne sont pas symétriques l'une par rapport à l'autre. Dans ce cas, même si certains nombres quantiques ne totalisent pas zéro dans l’état initial, la somme dans l’état final sera toujours cohérente. Par exemple, « l'annihilation » d'antineutrinos et d'électrons électroniques de haute énergie peut générer des fermions W, ce qui montre la diversité et la complexité du processus d'annihilation.
Dans les environnements à haute énergie, le processus d'annihilation peut produire des particules plus lourdes, ce qui fait également des collisionneurs de particules à haute énergie un outil de recherche important.
Lorsque les particules initiales sont des particules élémentaires, elles peuvent être combinées pour produire un seul boson élémentaire, comme un photon, un gluon ou le boson de Higgs. Au cours de ce processus, si l'énergie totale dans le cadre central de l'impulsion est égale à la masse au repos d'un boson réel, la particule restera en existence jusqu'à ce qu'elle se désintègre selon sa durée de vie. Sinon, ce processus peut être considéré comme la génération de bosons virtuels, qui sont ensuite transformés en paires de particules et d'antiparticules réelles. C'est ce qu'on appelle le processus du canal S. Par exemple, l’annihilation d’un électron et d’un positon produit un photon virtuel, qui est ensuite converti en serviteur et antitrino.
Exemples pratiques d'annihilation
Annihilation électron-positon
Dans les environnements à faible énergie, l'annihilation entre les électrons et les positrons génère souvent deux photons. Étant donné que les électrons et les positons ont une énergie au repos d’environ 0,511 million d’électrons-volts (MeV), cette énergie est convertie en énergie de photons lors de l’annihilation. Dans ce cas, en dessous se trouve la conservation de l’élan et de l’énergie, créant un mouvement inverse correspondant.
Si l'une des particules chargées transporte une énergie cinétique importante, d'autres particules peuvent être produites, ce qui montre la flexibilité du processus d'annihilation.
Annihilation proton-antiproton
La réaction d'un proton et de son antiparticule lorsqu'ils sont en contact n'est pas aussi simple que l'annihilation électron-positon. Le proton est une particule composite composée de trois « quarks de valence » et de nombreux « quarks marins ». Au cours de ce processus, un quark du proton peut s'annihiler avec un antiquark pour générer un gluon. Ensuite, ce gluon et les quarks et antiquarks restants subiront une recombinaison complexe pour produire une série de mésons (principalement des pions et des kaons). Ces mésons nouvellement générés, bien qu’instables, présentent un intérêt public dans les actions de physique des particules.
Génération du boson de Higgs
Dans les environnements à haute énergie, tels que les collisions entre deux nucléons, les quarks marins et les gluons dominent le taux d'interaction, ce qui permet l'annihilation d'une paire de quarks ou la « fusion » de deux gluons même en l'absence d'antiparticules. Ces processus ont contribué à générer le boson de Higgs tant attendu. En 2012, le laboratoire du CERN à Genève, en Suisse, a annoncé la découverte du boson de Higgs, marquant une grande avancée dans la physique des particules.
Le processus d'annihilation joue non seulement un rôle clé dans la recherche scientifique fondamentale, mais aide également les scientifiques à comprendre l'origine et le développement de l'univers. Même cela soulève également d'innombrables questions : qu'y a-t-il de si mystérieux et insaisissable dans notre univers ? et les interactions existent ?
