Antimatière

[seong]

Bonjour,

Selon Wiki :
Pour une particule élémentaire de charge nulle, il est possible d'être sa propre antiparticule : c'est le cas du photon.


De plus, actuellement des scientifiques essayent de trouver expérimentalement la double propriété particule-antiparticule du neutrino dans la radioactivité double beta-, théorisé par le scientifique Majorana en début du 20e siècle.


Mais comment une particule de charge nulle peut elle être sa propre anti particule, étant donné que ce qui caractérise l'antiparticule de la particule est uniquement leur charge opposée ?

Et qu'est ce qui expliquerait leur annihilement totale en énergie pure en cas de collision comme une collision particule-antiparticule, étant donné qu'ils sont identique et de charge nulle ?
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[Deedee81]

Salut,

Mais comment une particule de charge nulle peut elle être sa propre anti particule, étant donné que ce qui caractérise l'antiparticule de la particule est uniquement leur charge opposée ?

Ben justement : la charge opposée à 0 c'est -0 c'est-à-dire 0. D'ailleurs on a ça aussi pour les autres particules car il n'y a pas que la charge électrique, c'est toutes les charges qui sont conservées.
Ainsi pour un électron : il a une charge électrique -1, une charge faible et une charge leptonique mais sa charge forte (= "couleur") est nulle. Et le positron a des charges opposées et une charge forte nulle aussi.

Et qu'est ce qui expliquerait leur annihilement totale en énergie pure en cas de collision comme une collision particule-antiparticule, étant donné qu'ils sont identique et de charge nulle ?

Le photon ne s'annihile pas avec lui-même car il ne pourrait s'annihiler qu'en donnant autre chose (conservation de l'énergie). Tout au plus il existe la diffusion photon-photon (très peu probable mais cela a bien été mesuré). Et pour des photons d'énergie gigantesque (dans le domaine des rayons gammas durs) ils pouraient se transformer théoriquement en une paire électron-positron par exemple. De tels processus ne se produisent que dans l'environnement extrême des magnétars par exemple (la signature de désintégration électron-positron est très caractéristique) mais même là il y a certainement interaction avec des particules chargées qui augmentent l'efficacité du processus.

Une des règles en physique des particules est "si l'interaction peut se produire.... elle se produit". Et la seule contrainte est la conservation des quantités conservées : charges, énergie, quantité de mouvement, moment angulaire (spin).

Mais cela ne donne pas la probabilité d'une telle interaction. Elle dépend de l'intensité des interactions : interaction forte = très intense, très rapide ; interaction électromagnétique = intense, rapide : interaction faible = faible et lente.
Ainsi le neutrino n'ayant qu'une charge faible ses interactions sont aussi très faibles (d'où son caractère "fantomatique"). Notons que le photon n'a aucune charge mais il est le boson de jauge médiateur de l'interaction électromagnétique et est couplé aux charges électriques.

Un exemple : le positronium c'est un électron et un positron qui "tournent" l'un autour de l'autre. La durée de l'annihilation est d'environ 100 nanosecondes et est dû à l'interaction électromagnétique. Le neutron libre se désintègre en 20 minutes et c'est dû à l'interaction faible. Et certains processus dû à l'interaction forte, par exemple les résonances (= des particules dont les quarks sont dans un état excité) ont des existences bien inférieure à la nanoseconde. Tellement courte en fait qu'on ne peut pas les observer (trace trop courte dans les détecteurs de particules) et on les observe via leur création/désintégration.

Mais rien n'est simple dans ce domaine et le calcul des probabilités d'interaction (on parle plutôt de "sections efficaces" équivalent à la surface du cible interrompant une pluie de balles ) est très complexe (diagrammes de Feynman et intégrales associées et techniques de régularisation et renormalisation. Les calculs peuvent être vraiment pénibles !)

La théorie quantique des champs à la base de tout ça est la théorie la plus vaste, la plus pointue et la plus compliquée de toutes les théories validées de la physique. Si tu veux l'étudier je te conseille d'abord de bien maîtriser la mécanique quantique (et la relativité restreinte, l'électromagnétisme et la mécanique analytique, c'est un minimum).

[ornithology]

Pourrais tu préciser, parmi toutes les grandeurs physiques existantes ce qui fait que certajines sont des charges?
toutes sont elles appelées charge ceci ou cela?

[Deedee81]

Pourrais tu préciser, parmi toutes les grandeurs physiques existantes ce qui fait que certajines sont des charges?
toutes sont elles appelées charge ceci ou cela?

C'est marant parce que je m'étais fait la réflexion.

Typiquement dans la formulation moderne, si les équations sont invariantes sous un groupe de symétrie continu alors le théorème de Noether permet d'associer un courant conservé et l'intégration de ce courant étant une charge.

Mais il y a deux exceptions qui sont juste des choix de dénomination avec des origines parfois historiques.

Première exception : on a des quantités conservées qui ne sont pas appelées "charges" : énergie, quantité de mouvement, moment angulaire.
Toutefois les symétries là sont géométriques, on peut limiter la notion de charge aux symétries internes (changement de paramètres internes, non géométriques, comme la phase de la fonction d'onde).

Les symétries sont :
- Translation dans l'espace : la quantité de mouvement
- Translation dans le temps : l'énergie (et la combinaison des deux c'est le tenseur énergie-impulsion)
- Rotations : moment angulaire total (l'état de spin c'est juste le moment angulaire intrinsèque, faut ajouter le moment cinétique orbital, cette loi de conservation est importante en physique atomique car elle implique l'existence de raies interdites).
- Symétrie interne SU(1) : la charge électrique (dans l'équation de Dirac c'est un changement global de phase de la fonction d'onde)
- SU(2) : la charge faible
- SU(3) : la couleur (charge forte)

Deuxième exception. On a constaté certaines quantités conservées et on leur a attribué un nom mais ce n'est que ça, un nom : charge léptonique, charge baryonique, étrangeté, etc.
Notons que ce ne sont pas toujours des symétries exactes. L'interaction faible brise l'étrangeté.
A priori ces charges ne dérivent pas d'une symétrie mais leur existence étant juste un constat... qui sait ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[seong]

1- Ben justement : la charge opposée à 0 c'est -0 c'est-à-dire 0. D'ailleurs on a ça aussi pour les autres particules car il n'y a pas que la charge électrique, c'est toutes les charges qui sont conservées.
Ainsi pour un électron : il a une charge électrique -1, une charge faible et une charge leptonique mais sa charge forte (= "couleur") est nulle. Et le positron a des charges opposées et une charge forte nulle aussi.

2- Le photon ne s'annihile pas avec lui-même car il ne pourrait s'annihiler qu'en donnant autre chose (conservation de l'énergie). Tout au plus il existe la diffusion photon-photon (très peu probable mais cela a bien été mesuré).

3- Et pour des photons d'énergie gigantesque (dans le domaine des rayons gammas durs) ils pouraient se transformer théoriquement en une paire électron-positron par exemple.

1- d'accord l'opposé de 0 charge est 0 charge, mais ce n'est pas cela qui fait s'annihiler 2 particule de charge 0.
Ce qui fait s'annihiler un électron et un positron, c'est leur charge electrique opposé, pas leur 'charge de couleur nulle tous les deux', n'est ce pas ?

2- parce que le photon étant une particule élémentaire sans masse, est constitué d'energie pure et donc leur annihilement ne peut que produire d'autres particules, c'est ça ?
Pourtant le neutrino est aussi une particule élémentaire sans masse, et théoriquement ils s'annihilent entre eux juste après leur apparition dans la radioactivité double beta-

3- est ce que cela veut dire que photon et électron sont des particules de constitution très proches ?

[Deedee81]

1- d'accord l'opposé de 0 charge est 0 charge, mais ce n'est pas cela qui fait s'annihiler 2 particule de charge 0.
Ce qui fait s'annihiler un électron et un positron, c'est leur charge electrique opposé, pas leur 'charge de couleur nulle tous les deux', n'est ce pas ?

Non, ils peuvent s'annihiler parce que la charge totale de électron + positron donne 0 (pas besoin que cesoint opposé, juste que le total soit 0) et donne deux photons de charge 0. La charge est conservée => OK
D'ailleurs neutrino + antineutrino peuvent s'annihiler aussi (alors que leur charge est zéro) sauf que l'interaction est si faible qu'on n'a aucune chance de détecter ça !!!!

Comme je l'ai dit c'est la SEULE règle :
x + y => peut donner => s + w
si et seulement si les quantités sont conservées, c'est tout, faut pas chercher autre chose.

Toutes les particules sont de nature identique et ne se distinguent que par leurs charges, leur spin, leur énergie cinétique, leur quantité de mouvement et leur position. On peut même dire qu'un électron est un neutrino avec une charge électrique (c'est leur seul différence (*))

(*) d'ailleurs je pense que l'électron/muon/tau doivent aussi avoir un mélange de saveur mais qui n'est pas mesurable car très faible à cause de la masse élevée des électrons (v.s. les neutrinos) mais là c'est de la spéculation

[seong]

Non, ils peuvent s'annihiler parce que la charge totale de électron + positron donne 0 (pas besoin que cesoint opposé, juste que le total soit 0) et donne deux photons de charge 0. La charge est conservée => OK
D'ailleurs neutrino + antineutrino peuvent s'annihiler aussi (alors que leur charge est zéro) sauf que l'interaction est si faible qu'on n'a aucune chance de détecter ça !!!!

Comme je l'ai dit c'est la SEULE règle :
x + y => peut donner => s + w
si et seulement si les quantités sont conservées, c'est tout, faut pas chercher autre chose.

Toutes les particules sont de nature identique et ne se distinguent que par leurs charges, leur spin, leur énergie cinétique, leur quantité de mouvement et leur position. On peut même dire qu'un électron est un neutrino avec une charge électrique (c'est leur seul différence (*))

(*) d'ailleurs je pense que l'électron/muon/tau doivent aussi avoir un mélange de saveur mais qui n'est pas mesurable car très faible à cause de la masse élevée des électrons (v.s. les neutrinos) mais là c'est de la spéculation

Mais alors toute particule de charge nulle, même de nature différent (ex: photon et neutrino) peut s'annihiler ?

Et toute particule de charge nulle est aussi sa propre antiparticule ?

[coussin]

Non. 2 particules s'annihilent si leurs nombres quantiques est compatibles avec ceux d'un photon.
De part la nature de ce qu'est l'antimatière, c'est toujours le cas pour une paire particule/antiparticule.

[Sethy]

Mais alors toute particule de charge nulle, même de nature différent (ex: photon et neutrino) peut s'annihiler ?

Et toute particule de charge nulle est aussi sa propre antiparticule ?

Non, il existe l'antineutron de charge électrique nulle qui est l'antiparticule du neutron, également de charge électrique nulle.

Je me demande (prudemment) si plus fondamentalement, tout ne peut simplement pas être vu comme une interaction. L'annihilation pourrait être simplement vu comme une forme d'interaction particulière dans laquelle toute une série de propriété d'une particule est exactement compensé par ce qu'apporte l'autre particule.

Oui, peut-être que le photon et le neutrino peuvent provoquer une interaction mais tout ne se compense pas exactement et donc parmi la foule d'interaction possible, l'annihilation ne figure pas.

Si tu compares sur cette page wiki les données entre le neutrino et l'antineutrino. C'est en anglais mais les informations sont rassemblées dans le cadre de droite dans les rubriques particules et antiparticules. Tu observeras que l'un à la chiralité gauche et l'autre. L'un l'isospin faible est de +1/2 et l'autre de -1/2 et ainsi de suite pour d'autres propriétés.

https://en.wikipedia.org/wiki/Neutrino

[stefjm]

Et la masse? Une charge?

[ornithology]

je dirais non.
pas d'antimasse.

[seong]

Non, il existe l'antineutron de charge électrique nulle qui est l'antiparticule du neutron, également de charge électrique nulle.

Parce que le neutron n'est pas une particule élémentaire, et est constitué de 3 quarks. L'antineutron est donc constitué de 3 antiquarks.
Mais pour une particule élémentaire comme le photon ou neutrino de charge nulle, j'ai dû mal à voir ce qui peut les rendre anti d'eux même puisqu'ils sont identique ...

[ornithology]

il y a une facon de voir ca
il existe des symétries comme cp et cpt
prenons cp meme si cette symétrie n'est pas parfaite
ca signifie que pour toute interaction de particules ou antiparticules entant en collision et dannant des produits en sortie avec des probabilités données pour les angles de sorties etc, on va avoir les memes probabilités si on remplace les trucs en entrée par leurs anti et qu'on regarde ceci dans un miroir. si on ne dit pas qu'on a fait ca et qu'on lui presente le film il ne pourra pas voir la différence.
si on avait des particules chargées on les remplace par leurs anti de charge opposée mais pour les photons on ne chanfe rien on les garde tels quels et ca marche sans chercher plus loin.
car un photon et un antiphoton c'est la meme chose.+

[Deedee81]

Salut,

Mais pour une particule élémentaire comme le photon ou neutrino de charge nulle, j'ai dû mal à voir ce qui peut les rendre anti d'eux même puisqu'ils sont identique ...

Le neutrino n'est pas de charge nulle. Plus exactement il n'a pas de charge électrique mais il a une charge faible (et intervient dans la conservation du nombre leptonique).
EDIT attention "charge faible " ne veut pas dire "charge électrique plus faible", c'est une charge de nature différente liée à une symétrie particulière, "faible" est juste son nom. D'ailleurs l'interaction de la charge électrique est transmise par le photon tandis que pour la charge faible c'est les bosons Z et W+ et W-.

Je me demande (prudemment) si plus fondamentalement, tout ne peut simplement pas être vu comme une interaction. L'annihilation pourrait être simplement vu comme une forme d'interaction particulière dans laquelle toute une série de propriété d'une particule est exactement compensé par ce qu'apporte l'autre particule.

Si tout à fait. C'est une interaction comme une autre. Et il y a de remarquables symétries entre les diagrammes de Feynman par exemple pour l'effet Compton ou l'annihilation électron-positron. Dans l'approche axiomatique / analytique on parle aussi des "voies d'interactions" (R, T, etc.... me souvient plus du pourquoi de ces lettres) très utile dans l'étude de l'interaction forte.

je dirais non.
pas d'antimasse.

Ca, ça m'interpelle.

D'un point de vue purement technique la symétrie P(4) du groupe de Poincaré (symétries de l'espace-temps) impliquent la conservation du tenseur énergie-impulsion (donc c'est plus général que la masse, on sait bien que celle-ci n'est qu'une forme particulière de l'énergie). Et le boson de jauge associé serait le graviton (le conditionnel est de rigueur).
EDIT étant jeune j'avais essayé de formuler la relativité générale (classique ! pas quantique) sur base de ça, ça marchait bien à part que les considérations de géométrie analytique et topologie n'émergeaient pas naturellement ce qui posait des difficultés par exemple pour les trous noirs. J'ai découvert par après que cette approche était déjà connue et proche de la formulation linéarisée avec un espace-temps plat de fond. On a tendance parfois à réinventer la roue

Bien entendu, on n'observe pas de masse négative etc... etc.... et on ne va pas refaire le débat là-dessus.

Toutefois l'antimatière via l'opérateur de conjugaison de charge impliquent des charges opposées à la matière. Or c'est vrai pour toutes les charges mais pas pour la masse. Pourquoi ???? Serait-ce à cause de la symétrie T (la symétrie matière - antimatière en toute rigueur c'est CPT) ? Et donc dû au fait qu'ici c'est une symétrie géométrique et non une symétrie interne ? (j'avoue que je ne m'étais jamais posé la question, si quelqu'un pouvait confirmer ou infirmer et expliquer ce serait chouette )

EDITbis Après réflexion, je confirme => l'application de la symétrie T implique un renversement du temps mais qui est tout à fait artificiel (simple symétrie mathématique t -> -t) et on a une énergie négative et en revenant à l'écoulement du temps normal on retrouve une énergie positive (et donc une masse positive). Et c'est bien lié au caractère géométrique.

[ornithology]

Une autre remarque.
la notion de charge conservée est liée a l'état de nos expériences.
prenons la supersymétrie, si on metait en évidence des superpartenaires bosoniques a des fermions,
on aurait conservation de "supercharges" plus générales, et nos symétries habituelles ne suffiraient pas définir une particule par raport a son antiparticule. il faudrait allonger la liste des parametres dont il faut changer le signe.

je n'ai fait que survoler ce sujet et il y a longtemps. j'espere en avoir un souvenir correct.

[Deedee81]

Salut,

Une autre remarque.
la notion de charge conservée est liée a l'état de nos expériences.
prenons la supersymétrie, si on metait en évidence des superpartenaires bosoniques a des fermions,
on aurait conservation de "supercharges" plus générales, et nos symétries habituelles ne suffiraient pas définir une particule par raport a son antiparticule. il faudrait allonger la liste des parametres dont il faut changer le signe.
je n'ai fait que survoler ce sujet et il y a longtemps. j'espere en avoir un souvenir correct.

La supersymétrie est une symétrie discrète, non ? Dans ce cas le théorème de Noether ne s'applique pas.
(en plus c'est une symétrie brisée spontanément puisqu'on n'observe pas facilement les superpartenaires)
A confirmer car..... https://en.wikipedia.org/wiki/Supercharge
En voyant ça https://en.wikipedia.org/wiki/Supers...mmetry_algebra je me dit que je me trompe peut-être (moi aussi j'ai survolé ça il y a longtemps !)

Sinon sur ton "état des expériences". Il est clair que la modélisation, par exemple l'équation de Dirac, est liée à l’observation expérimentales qui dit "'l'électron est ainsi". Et donc la théorie dit bien "la charge est liée à la symétrie" mais le fait que cette charge soit non nulle pour l'électron et son spin 1/2 n'est pas une prédiction mais un constat expérimental.

[ornithology]

je reviens sur la masse.
prenons une particule sans masse. elle se déplace sur le cone de lumiere. si par un mécanisme quelconque elle acquiere de la masse, elle va ralentir et ses lignes d'univers seront du type temps a l'intérieut du cone de lumiere.
revenons au point de départ. elle est sur le cone de lumiere. masse nulle. et supposons qu'un autre mechanisme lui fasse acquérir une masse -m. elle va de la meme facon quitter le cone de lumiere mais maintenant pour suivre des lignes d'univers de type espace . en dehors du type de lumiere. ce qui est strictement interdit aux particules de masse m, mais ce n'est pas son cas. on parle ici des hypothétiques tachyons jamais observés .
dans ce cas la masse serait une charge.

[Sethy]

Scission du débat ?

[ornithology]

c'était un aparté que je clos en ce qui me concerne.
de plus ca n'irait pas tres loin.

[Deedee81]

EDIT croisement, ça peut aussi intéresser seong sauf si ça dérive trop

je reviens sur la masse.
prenons une particule sans masse. elle se déplace sur le cone de lumiere. si par un mécanisme quelconque elle acquiere de la masse, elle va ralentir et ses lignes d'univers seront du type temps a l'intérieut du cone de lumiere.
revenons au point de départ. elle est sur le cone de lumiere. masse nulle. et supposons qu'un autre mechanisme lui fasse acquérir une masse -m. elle va de la meme facon quitter le cone de lumiere mais maintenant pour suivre des lignes d'univers de type espace . en dehors du type de lumiere. ce qui est strictement interdit aux particules de masse m, mais ce n'est pas son cas. on parle ici des hypothétiques tachyons jamais observés .
dans ce cas la masse serait une charge.

Je ne comprend pas du tout en quoi ce serait lié au fait que la masse serait une charge ????
- La charge au sens de quantité conservée associée à la symétrie resterait le tenseur énergie-impulsion pas la masse
- la masse d'un tachyon est imaginaire pure (pour peu que cela ait un sens physique) et pas négative
- "charge" n'est qu'un nom. Et l'énergie impulsion est déjà une charge au sens de Noether (et donc surtout la masse souvent majoritaire, sauf pour le photon par exemple). Si on ne l'appelle pas charge c'est pour des raisons historiques (et le fait que la symétrie soit géométrique).

Si tu as des explications/questions plus complète, je propose en effet une nouvelle discussion (je peux m'en charger en déplaçant les messages).

[ornithology]

je ne veux pas trop m'éparpiller sur des sujets comme ca.
ces temps ci j'essaie de faire le tour de la quantification de Landau pour les electrons tournant dans un champ magnétisue.
j'ai mis une vidéo en angalais dans un autre fil que j'essaie de comprendre

[ornithology]

La supersymétrie est une symétrie discrète, non ? Dans ce cas le théorème de Noether ne s'applique pas.
(en plus c'est une symétrie brisée spontanément puisqu'on n'observe pas facilement les superpartenaires)
A confirmer car..... https://en.wikipedia.org/wiki/Supercharge
En voyant ça https://en.wikipedia.org/wiki/Supers...mmetry_algebra je me dit que je me trompe peut-être (moi aussi j'ai survolé ça il y a longtemps !)

Sinon sur ton "état des expériences". Il est clair que la modélisation, par exemple l'équation de Dirac, est liée à l’observation expérimentales qui dit "'l'électron est ainsi". Et donc la théorie dit bien "la charge est liée à la symétrie" mais le fait que cette charge soit non nulle pour l'électron et son spin 1/2 n'est pas une prédiction mais un constat expérimental.

Il y a des générateurs pour la supersymétrie et je suppose que par exponentiation on obtient des groupes continus.
de plus leurs commutateurs donne des générateurs de translations. il me semblent que ca ne differe pas des aurres symétries

[Deedee81]

SAlut,

Il y a des générateurs pour la supersymétrie et je suppose que par exponentiation on obtient des groupes continus.
de plus leurs commutateurs donne des générateurs de translations. il me semblent que ca ne differe pas des aurres symétries

Là tu parles plutôt de l'algèbre du groupe (et en effet je viens d'aller voir l'article wikipedia superalgèbre de Lie). Mais le groupe lui est bien discret or c'est lui qui compte pour Noether

[ornithology]

Mais avec les commutateurs de générateurs [Qi,Qj] qui donnent le générateur des translations
on ne peut ecrire exp(i Qi xi) pour une variable continue xi?
ca veut dire quoi alors générateur? et générateur de quoi?

[Deedee81]

C'est les générateur des transformations infinitésimales. Tu as les générateurs du groupe et les générateurs le l'algèbre. Avec les commutateurs c'est plutôt l'algèbre du groupe.

Mais à nouveau pour le groupe de supersymétrie, je ne maitrise pas assez et pour être vraiment sûr faudrait se plonger dans la littérature. Wikipedia anglais devrait suffire (manque des trucs en français)