Antimatière

[andretou]

Bonjour à tous

Je me pose 3 questions sur ce sujet.
Quand on met en présence de la matière et de l'antimatière, les masses mises en jeu sont aussitôt converties en rayonnements.

1/ l'énergie rayonnée est-elle exactement la même avec un électron et un positron qu'avec un électron et un antiproton ?
2/ en quoi se transforme l'antiproton après collision avec un électron ?
3/ tout phénomène physique a pour origine l'une des 4 interactions élémentaires ; mais quelle est celle qui intervient dans la réaction d'annihilation matière-antimatière ? Par élimination des trois autres je dirais la gravitation (puisque la réaction s'applique à des particules non nucléaires et à des particules non chargées). Peut-on vraiment dire que la gravitation régit le phénomène d'annihilation matière-antimatière ?

Merci pour vos réponses
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[mach3]

1) ce n'est pas du tout la même collision... Donc pas vraiment comparable
2) c'est sûrement très varié et dépend de l'énergie des particules incidentes. Ce qui est sûr, c'est que dans les produits il y aura au moins un baryon et lepton, et une charge globale de -2
3) la plupart du temps c'est de l'interaction EM, par exemple l'annihilation d'un electron et d'un positron en un couple de photon relève du même genre de mécanisme que la diffusion d'un photon par un électron. Ça peut aussi être de l'interaction faible si ce sont des Z0 ou un couple W+ W- qui sont émis au lieu de photons, ou de l'interaction forte si ce sont des gluons. Si le graviton existe, une annihilation pourrait peut-être occasionnellement emettre un couple de gravitons (a vérifier), et dans ce cas c'est l'interaction gravitationnel qui est en jeu.

m@ch3

[Deedee81]

Salut,

EDIT énorme croisement avec mach3. Dans ma réponse sur électron + antiproton, je considérais la situation à basse énergie (quasi repos).

Quand on met en présence de la matière et de l'antimatière, les masses mises en jeu sont aussitôt converties en rayonnements.

Ou en diverses particules, s'il y a assez d'énergie (particules suffisamment massives au départ ou énergie cinétique élevée comme dans les accélérateurs de particules).

1/ l'énergie rayonnée est-elle exactement la même avec un électron et un positron qu'avec un électron et un antiproton ?

Non.

- électron + positron (quasi au repos) => 2 ou 3 photons gammas (selon la parité)
- proton + antiproton => des photons, des mésons pi, .... une flopée de trucs
- électron + antiproton => rien ne se passe, au mieux ils se repoussent (même charge électrique). Ils ne peuvent pas s'annihiler car il n'y aurait pas conservation des certaines quantités (comme la charge leptonique, +1 pour l'électron, 0 pour le proton ou pour le photon)

Ca répond aussi à la question 2.

3/ tout phénomène physique a pour origine l'une des 4 interactions élémentaires ; mais quelle est celle qui intervient dans la réaction d'annihilation matière-antimatière ? Par élimination des trois autres je dirais la gravitation (puisque la réaction s'applique à des particules non nucléaires et à des particules non chargées). Peut-on vraiment dire que la gravitation régit le phénomène d'annihilation matière-antimatière ?

Les interactions mises en jeu sont celles auquel les particules sont sensibles. Et les interactions les plus fortes dominent. Trois exemples :
- dans l'annihilation électron - positron, l'interaction dominante est l'interaction électromagnétique. On calcule d'ailleurs assez facilement les propriétés du positronium avec l'électrodynamique quantique. L'interaction faible n'introduit que de petites corrections.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Positronium
- dans l'annihilation proton-antiproton, l'interaction en jeu est l'interaction forte (et l'interaction électromagnétique, non négligeable). Son intensité énorme explique aussi la production de toutes sortes de particules.
- dans l'annihilation neutrino-antineutrino, la seule interaction disponible (*) est l'interaction faible. Mais, justement, elle est faible : ça rend l'annihilation hautement improbable (d'autant plus que le photon qui devrait être émit est lui insensible à cette interaction). A tel point qu'on ne l'a jamais observé.

(*) pas tout à fait juste. Il y a aussi l'interaction gravitationnelle. Mais elle est encore plus faible. Tellement faible qu'elle n'intervient jamais dans ces processus.

[Amanuensis]

Juste pour dire qu'il est discutable de classer une collision entre antiproton et électron comme matière-antimatière. (Car cela n'a rien de spécial par rapport à, par exemple, entre proton et électron, ou neutron et électron.)

Et que c'est la même chose, une fois toutes les charges inversées, qu'une collision proton-positron, ce qui donne une meilleure liste de réponses si on cherche dans la littérature. Par exemple https://www.quora.com/Can-positron-b...-particle-have, où on apprend, en plus d'informations sur ce que cela peut donner, que c'est ce qu'on cherchait à obtenir avec l'expérience Héra (et donc qu'on dispose de résultats d'expérience).

[A voir en vidéo sur Futura]

[andretou]

Merci à tous pour vos réponses.

- électron + positron (quasi au repos) => 2 ou 3 photons gammas (selon la parité)

Cela ne nous autorise-t-il pas à dire que l'électron et le positron sont composés de photons gammas ?

[Deedee81]

Salut,

Cela ne nous autorise-t-il pas à dire que l'électron et le positron sont composés de photons gammas ?

Non, pour plusieurs raisons. Tout d'abord qu'est-ce qui tiendrait les photons "ensembles", et puisque électron + positron peut donner deux photons, ça voudrait dire qu'un électron serait un photon, ce qui est trivialement faux, et comme les photons sont sans masse et sans charge électrique, d'où viendrait la charge et la masse des électrons ? Enfin, les expériences dans les grandes accélérateurs montrent que l'électron est ponctuel ou presque (de l'ordre du millionième de nanomètre, me souviens plus du chiffre exact mais estimation à partir de l'énergie du LHC), cela signifie que les photons coincés dedans auraient une longueur d'onde incroyablement courte, et donc une énergie fabuleuse, (plusieurs milliards d'élect volt), bien supérieure à l'énergie de repos d'un électron. Il y a aussi le spin qui est très différents (le photon a un spin entier et des combinaisons de spins entiers donnent toujours des spins entiers.... or l'électron a un spin demi-entier).

[andretou]

Non, pour plusieurs raisons. Tout d'abord qu'est-ce qui tiendrait les photons "ensembles", et puisque électron + positron peut donner deux photons, ça voudrait dire qu'un électron serait un photon, ce qui est trivialement faux, et comme les photons sont sans masse et sans charge électrique, d'où viendrait la charge et la masse des électrons ? Enfin, les expériences dans les grandes accélérateurs montrent que l'électron est ponctuel ou presque (de l'ordre du millionième de nanomètre, me souviens plus du chiffre exact mais estimation à partir de l'énergie du LHC), cela signifie que les photons coincés dedans auraient une longueur d'onde incroyablement courte, et donc une énergie fabuleuse, (plusieurs milliards d'élect volt), bien supérieure à l'énergie de repos d'un électron. Il y a aussi le spin qui est très différents (le photon a un spin entier et des combinaisons de spins entiers donnent toujours des spins entiers.... or l'électron a un spin demi-entier).

Mais alors que sont devenus l'électron et le positron, s'ils ne se sont pas transformés en photons gammas ?

[calculair]

Physiquement la charge électrique c'est quoi ?

La charge de l'électron est elle de même nature que la charge du positron ou du proton ?

Y a t'il une energie associée à cette charge ?

Je ne sais s'il existe une réponse à ces questions aujourd'hui

[Quarkonium]

Mais alors que sont devenus l'électron et le positron, s'ils ne se sont pas transformés en photons gammas ?

Ils se sont "transformés" en photons gamma via l'interaction EM, mais cela ne veut pas dire qu'ils étaient composés de photons à la base.

[andretou]

mais cela ne veut pas dire qu'ils étaient composés de photons à la base.

D'accord. Mais comment démontrer que si un objet A et un objet -A deviennent deux objets B, alors B ne compose pas forcément A et -A ?

[Quarkonium]

Physiquement la charge électrique c'est quoi ?

La charge électrique d'un objet peut être simplement vue comme sa capacité à interagir avec d'autres via l'interaction EM (comme la masse pour l'interaction gravitationnelle). Ses différences avec la masse sont qu'elle peut être de signe positif ou bien négatif, donnant lieu à une interaction qui peut être soit attractive soit répulsive ; qu'elle est quantifiée, c'est-à-dire que toutes les particules portent (à notre connaissance) un multiple d'une charge électrique élémentaire ; enfin il s'agit d'une quantité conservée dans l'Univers (à notre connaissance encore). Cette conservation peut être comprise par le théorème de Noether comme issue d'une symétrie respectée par le champ électromagnétique. Voilà, je ne sais pas trop quoi te dire de plus.

La charge de l'électron est elle de même nature que la charge du positron ou du proton ?

De même nature, oui puisqu'il s'agit d'une charge électrique ; il s'agit du même nombre quantique. C'est simplement sa valeur qui diffère, -1 pour l'électron, +1 pour le proton et le positron.

Y a t'il une energie associée à cette charge ?

Je ne comprends pas quelle énergie tu voudrais associer à cette charge.

[Quarkonium]

D'accord. Mais comment démontrer que si un objet A et un objet -A deviennent deux objets B, alors B ne compose pas forcément A et -A ?

Si tu tiens à visualiser des objets immuables plutôt que des objets qui apparaissent et disparaissent, pense aux champs. Chaque particule peut-être vue comme une excitation d'un champ. Les particules qui apparaissent et disparaissent sont en fait les excitations/désexcitations de champs qui interagissent entre eux. Même si ta paire électron-positron s'est annihilée, le champ d'électrons et le champ de positrons sont toujours bien réels.

[andretou]

Même si ta paire électron-positron s'est annihilée, le champ d'électrons et le champ de positrons sont toujours bien réels.

Cela peut-il se vérifier expérimentalement ? De quelle manière ?

[calculair]

J'essaie de préciser ma question sur l'énergie de la charge.

La masse de l'électron correspond elle à celé de sa charge ? Comme la charge du proton est de même nature que la charge de l'électron , ce dernier est 1800 plus lourd que l'électron

Tu vas peut être me repondre qu'il ne faut pas confondre la masse de la particule et sa charge. Alors la charge est un truc en plus qui ne coute rien en énergie... On pourrait en produire à l'infini dans ces conditions ....!

Voila quelques questions sous jacentes

La charge électrique d'un objet peut être simplement vue comme sa capacité à interagir avec d'autres via l'interaction EM (comme la masse pour l'interaction gravitationnelle). Ses différences avec la masse sont qu'elle peut être de signe positif ou bien négatif, donnant lieu à une interaction qui peut être soit attractive soit répulsive ; qu'elle est quantifiée, c'est-à-dire que toutes les particules portent (à notre connaissance) un multiple d'une charge électrique élémentaire ; enfin il s'agit d'une quantité conservée dans l'Univers (à notre connaissance encore). Cette conservation peut être comprise par le théorème de Noether comme issue d'une symétrie respectée par le champ électromagnétique. Voilà, je ne sais pas trop quoi te dire de plus.



De même nature, oui puisqu'il s'agit d'une charge électrique ; il s'agit du même nombre quantique. C'est simplement sa valeur qui diffère, -1 pour l'électron, +1 pour le proton et le positron.



Je ne comprends pas quelle énergie tu voudrais associer à cette charge.

[mach3]

Alors la charge est un truc en plus qui ne coute rien en énergie... On pourrait en produire à l'infini dans ces conditions ....!

Le fait est qu'on ne peut pas en produire tout court. En tout cas on ne crée pas une charge négative sans créer une charge positive simultanément au même endroit. Et séparer une charge positive d'une charge négative coûte bien de l'énergie, le travail nécessaire pour séparer des charges, on ne peut donc pas séparer une infinité de paires de charges positives et négatives qui seraient sorties de nulle-part. Et cela peu importe le coût énergétique de la charge en elle-même (si ça existe ou même si ça a un sens). Bref dire qu'une charge ne coute rien en énergie n'implique nullement qu'on puisse en produire à l'infini...

Cependant le fait d'être chargé électriquement contribue à la masse des particules d'après la TQC il me semble. Il y a une masse dite "nue", et une masse effective qui prend en compte l'interaction de la charge avec elle même (c'est du même tonneau que le coup de la masse "acquise" par interaction avec le champ de Higgs).

m@ch3

[calculair]

Merci pour ces éléments de réponses

Je ne connais pas grand chose en mécanique quantique, lorsque j'étais à la fac c'était une science relativement jeune.

Mais je comprends que pour créer les charges il faut les créer + et - en même temps ( selon le principe de neutralité ? est ce un principe? ) Donc le fait que la charge existe isolement sans sa charge contraire suppose que l'on a injecté de l'énergie dans le système. Comme il y'a équivalence entre énergie et masse, cette masse est quelque part . Il n' y a pas de raison fondamentale à priori que cette masse soit concentrée sur l'une ou l'autre des particules. Il doit exister une interaction dans l'espace qui est celle qui existe lorsqu'on a eloigné les charges + et - d'origine ......

Je déconne peut être totalement en ignorant des données essentielles de la mécanique quantique de ces 50 dernières années....

[mach3]

Je déconne peut être totalement en ignorant des données essentielles de la mécanique quantique de ces 50 dernières années....

ben, sans déconner, l'énergie potentielle d'interaction est prise en compte dans le bilan. Par exemple un proton et un électron, loin l'un de l'autre et ~immobile pèse plus lourd qu'un atome d'hydrogène (l'énergie cinétique contribue positivement à la masse, mais l'énergie potentielle négativement et elle est 2 fois plus grande en valeur absolue).
Il faut apporter de l'énergie pour séparer deux particules chargées et cela se retrouve dans le fait que deux particules chargés séparées pèsent à elles deux plus lourd que les deux mêmes particules liées.

m@ch3

[Quarkonium]

Cela peut-il se vérifier expérimentalement ? De quelle manière ?

Pas au sens où tu l'entends, puisque les champs sont des objets mathématiques justement créés pour modéliser la physique que nous observons. Je te répondrais bien que la preuve de l'existence du champ d'électrons est le fait que nous réussissions à observer des électrons

[calculair]

Dois je conclure d'apres ta dernière phrase que la masse des particules depend de la distance qui les séparent ?

ben, sans déconner, l'énergie potentielle d'interaction est prise en compte dans le bilan. Par exemple un proton et un électron, loin l'un de l'autre et ~immobile pèse plus lourd qu'un atome d'hydrogène (l'énergie cinétique contribue positivement à la masse, mais l'énergie potentielle négativement et elle est 2 fois plus grande en valeur absolue).
Il faut apporter de l'énergie pour séparer deux particules chargées et cela se retrouve dans le fait que deux particules chargés séparées pèsent à elles deux plus lourd que les deux mêmes particules liées.

m@ch3

[coussin]

Non, mais la masse du système composé des deux particules (si celles-ci interagissent) oui. La masse de AB est m(A) + m(B) + int(A-B). m(A) et m(B), eux, ne changent pas.

[calculair]

Ok je fais la synthèse avec l'énoncé de mach3 ,


Il y a une masse dans l'espace entre 2 particules qui est la masse de int (a-b)

Non, mais la masse du système composé des deux particules (si celles-ci interagissent) oui. La masse de AB est m(A) + m(B) + int(A-B). m(A) et m(B), eux, ne changent pas.

[coussin]

E=mc2 doit vous dire quelque chose, non ?
S'il y a une énergie d'interaction, ça compte dans la masse.

Dit autrement (plus rigoureux), la masse dans sa définition relativiste est la pseudonorme du 4-vecteur énergie-impulsion. Et dans ce 4-vecteur, c'est l'énergie totale du système.

[calculair]

Je crois que nous sommes au niveau du concept de E = m c2

m est l'energie totale du système, mais dans le cas ou m'a démontré cette formule, le système etait composé d'une particule.

Comme je ne suis pas spécialiste de relativité restreinte ( et en core moins brillant en relativité générale) j 'ai localisé l'énergie d'interaction dans l'espace puisque c'est là que ce situe l'interaction. Il semble que cela ne soit pas exact. d'après toi

E=mc2 doit vous dire quelque chose, non ?
S'il y a une énergie d'interaction, ça compte dans la masse.

Dit autrement (plus rigoureux), la masse dans sa définition relativiste est la pseudonorme du 4-vecteur énergie-impulsion. Et dans ce 4-vecteur, c'est l'énergie totale du système.

[coussin]

Localiser l'énergie d'interaction n'a pas de sens... Où la mettriez-vous cette énergie d'interaction ? Entre les particules, au milieu ? Distribuée le long d'une droite reliant les particules ? Pourquoi le long d'une droite ?
Etc...

[calculair]

TU poses une bonne question.

Cette énergie est bien quelque part, tu dis qu'elle est au niveau des particules si je comprends bien.

Comme il y a au moins 2 particules dans cette interaction, il y a donc une information ( on appelle cela l'interaction ) qui voyage entre les 2 particules.

Localiser l'énergie d'interaction n'a pas de sens... Où la mettriez-vous cette énergie d'interaction ? Entre les particules, au milieu ? Distribuée le long d'une droite reliant les particules ? Pourquoi le long d'une droite ?
Etc...

[mach3]

L'énergie est simplement dans le champ électromagnétique : https://en.wikipedia.org/wiki/Electr...3energy_tensor

m@ch3

[calculair]

Ok mais le champ est situé ou ? dans l'espace entre les 2 particules. Ce qui me pose un problème avec le reponse de coussin ?

L'énergie est simplement dans le champ électromagnétique : https://en.wikipedia.org/wiki/Electr...3energy_tensor

m@ch3

[mach3]

Ok mais le champ est situé ou ? dans l'espace entre les 2 particules.

Entre les deux particules oui, mais partout ailleurs aussi. De par leur présence les deux particules chargées que l'on considère font que le champ EM est non nul quasiment partout, et donc il y a de l'énergie-impulsion quasiment partout.
Selon la distance entre les deux particules et leur état de mouvement, le contenu total en énergie du champ électromagnétique varie.

m@ch3

[calculair]

Ok cela me convient parfaitement ( je veux dire le concept est en accord avec ma vision des choses), on fait un peu de la philosophie ....

Mais il y a équivalence entre énergie et masse dans la conception d'Einstein. Alors l'énergie du champ à une masse, cette masse est partout . D'accord cela varie avec la distance et l'état de mouvement des particules. Ce n'est donc pas une qualité intrinsèque de l'espace entre particule. Mais cette masse associée au champ ou peut on la localiser..?

Entre les deux particules oui, mais partout ailleurs aussi. De par leur présence les deux particules chargées que l'on considère font que le champ EM est non nul quasiment partout, et donc il y a de l'énergie-impulsion quasiment partout.
Selon la distance entre les deux particules et leur état de mouvement, le contenu total en énergie du champ électromagnétique varie.

m@ch3

[mach3]

Voilà comme je comprends les choses d'après ce que j'ai lu dans le MTW :

Si on applique (en temps qu'application linéaire) le tenseur énergie-impulsion d'un évènement de l'espace-temps à la 4-vitesse d'un observateur, on obtient le 4-vecteur densité d'énergie et d'impulsion en cet évènement, et la norme de ce 4-vecteur est la densité de masse en cet évènement. Si on l'intègre sur tous les évènements d'un volume (donc sur une hypersurface de temps coordonnée de l'observateur choisi constant), par exemple un caillou, on obtient le 4-vecteur énergie-impulsion de ce volume, un 4-vecteur colinéaire à la 4-vitesse du caillou mais dont la norme est la masse du caillou.

Si en un évènement on a uniquement du rayonnement (à comprendre comme "il n'y a aucun observateur pour lequel en cet évènement le champ électrique et le champ magnétique sont colinéaires"), on trouve une norme nulle, pas de densité de masse, malgré une densité d'énergie et une densité d'impulsion non nulle. Dans le cas contraire (notamment pour un champ statique, qu'il soit électrique ou magnétique), la norme n'est pas nulle, et il y a donc une densité de masse qui est présente (et si on intègre sur un volume donné on trouve une masse non nulle).

La masse d'un caillou vient donc, in fine, de l'ensemble des tenseurs énergie-impulsion qu'il "contient" (au sens "les tenseurs des évènements contenus dans le volume du caillou pour coordonnée t donnée"), que ce soit ceux des particules (quarks et électrons) ou ceux des champs (EM notamment) et en fait c'est d'ailleurs la même chose si on considère la TQC!

m@ch3