L'antimatière, indomptable carburant.

Ah l'antimatière ! Graal technologique absolu du cinéma et de la littérature de science-fiction. Au point que beaucoup pensent qu'il ne s'agit QUE de science-fiction, tout comme la téléportation par exemple.

Cependant, à la différence de la téléportation, l'antimatière est bien réelle. Toutefois, elle n'est pas utilisée pour propulser des vaisseaux. Et c'est pas demain que ça arrivera 😂

Qu’elle soit utilisée comme un moyen de propulsion révolutionnaire ou comme l'arme ultime de destruction massive, elle fascine les scénaristes car elle s'appuie sur un principe physique réel : l'annihilation. Lorsque la matière rencontre l'antimatière, les deux s'autodétruisent instantanément pour libérer la conversion la plus complète connue de la masse en énergie (à masse comparable) avec un rendement dépassant de très loin toutes les autres formes de réaction (chimiques, fission nucléaire et même fusion nucléaire).

Je compare les écarts de performances de ces réactions dans le voyage interstellaire.

L'annihilation matière-antimatière est, à ce jour, le moyen le plus efficace connu pour convertir de la masse en énergie.

L'antimatière n'est pas une matière « bizarre », mais une conséquence profonde de la physique quantique : à chaque particule correspond une antiparticule ayant notamment une charge électrique opposée.

Trois croyances populaires :

1. Contrairement à une idée largement répandue, lors de la rencontre matière / antimatière, 100% de la masse n'est pas convertie en énergie. Toute l'énergie issue de l'annihilation n'est pas récupérable. Une très faible quantité va s'échapper sans pouvoir être transformée efficacement en énergie utile et se répartir en photons, particules relativistes, neutrinos, etc.

   
   

2. Une autre idée populaire est de voir l'antimatière comme une source d'énergie. Alors que ce n'est pas un carburant. Il faut d'abord fabriquer l'antimatière, cette fabrication, extrêmement coûteuse, consomme énormément plus d'énergie que celle récupérée lors de l'annihilation. Déso si je viens de briser vos rêves... 😂

   
   

3. Si l'antimatière se comporte à l'inverse de la matière, alors si on lâchait un objet composé d'antimatière, il devrait s'élever vers le ciel plutôt que de tomber au sol ?!

   Ah-ah, celui-là, je vous le garde pour la fin. 😆

Avant d'entrer dans le vif du sujet, on est d'accord que vous avez déjà une idée assez précise de ce qu'est la matière ordinaire : les atomes, eux-même composés principalement de protons, neutrons et électrons, leur charge électrique (et plein d'autres particules : quarks, photons, muons, neutrinos, bosons, mais on va rester simple).

Si vous n'êtes pas trop à l'aise sur les atomes, je vous invite à commencer par lire la matière dans tous ses états que j'ai écrit en 2023. N'hésitez-pas à aller y jeter un coup d’œil : c'est fas-ci-nant !

Vous êtes revenus ? OK alors on y va ! 😀

La découverte :

• En 1923, Dmitry Skobeltsyn, physicien soviétique, 🇷🇺 étudie les rayons gamma avec une chambre à brouillard.

  
  

  

  Dmitry Skobeltsyn

  Il observe que la trajectoire de certains électrons sont déviés bizarrement, comme s'ils avaient une charge électrique positive. Alors que l'électron est toujours chargé négativement.

  Ah ben voilà, vous êtes perdus, je vous avais bien dit de commencer par lire la matière dans tous ses états hein ! 😅

  Bon Dmitry, sans le savoir, a trouvé des traces naturelles d'antiélectrons, (qu'on va bientôt nommer positron ou positon) mais comme il est incapable d'expliquer le phénomène, il passe à côté du Nobel. 🫤

  
  

• En 1931, Paul Dirac 🇬🇧 (pilier de la physique quantique) prédit, de manière purement théorique 🤯, l'existence des antiélectrons. Mais encore faut-il le prouver.

  J'ai une admiration sans borne pour les mecs qui découvrent des trucs de ouf juste par la réflexion !

Paul Dirac

• En 1932 Carl David Anderson, 🇺🇸 toujours avec une chambre à brouillard, identifie la déviation détectée par Dmitry en 1923 comme étant due à la présence d'antiélectrons, validant ainsi la prédiction de Dirac.

  
  

  

  Carl David Anderson

  
  

  Anderson publie sa découverte en 1933 et reçoit le Nobel 🥇 en 1936, Nobel qu'il partagera avec Victor Franz Hess pour sa découverte des rayons cosmiques (qui étaient indispensable à Anderson pour trouver les positrons).

Bon, vous savez qu'un atome c'est un noyau (nucléon) : protons - neutrons, autour duquel tournent des électrons.

• Pour les électrons, Anderson vient de trouver les antiélectrons (positrons).

• Pour les neutrons, ben ils sont neutres donc on s'en cogne. *

• Restent les Protons. On a pas encore trouvé d'antiprotons.

* Parenthèse que vous pouvez zapper si vous avez mal à la tête :

Le neutron, bien que dépourvu de charge électrique, possède lui aussi une antiparticule : l'antineutron. « Neutre » ne signifie pas « identique à son antiparticule ».

Le neutron possède bien une charge électrique nulle, mais l'antineutron est différent du neutron : ses quarks sont remplacés par des antiquarks et ses propriétés magnétiques sont également inversées. 💊

Trouver des positrons, c'était la partie facile. Pour les antiprotons, ça va être un poil plus compliqué. Ben oui, électrons et positrons ont une masse dérisoire, mais pas les protons. (Un proton est 1836 fois plus massif qu'un électron). 😲

En 1936 on ne dispose pas encore des outils nécessaires pour mettre en évidence un antiproton. Pour ça on va avoir besoin d'un accélérateur de particules.

En 1950, le laboratoire Lawrence-Berkeley entame la construction d'un accélérateur de particules à... Berkeley en Californie. 🇺🇸

En 1955, Owen Chamberlain, Emilio Segrè et Clyde Wiegand découvrent l'antiproton grâce à l'accélérateur de particules de Berkeley. Ce qui vaudra un Nobel en 1959 à Chamberlain et Segrè. 🥇

Le flux de particules accélérées se trouve dans le tube bleu, lui-même dans le tunnel Franco-Suisse du LHC.

OK jusqu'à présent on a réussi à isoler soit des positrons, soit des antiprotons, donc les anti briques d'un atome. Ce serait vraiment cool d'arriver à bricoler un assemblage antiprotons / antineutrons / positrons, qu'on appelleriot : antimatière !

Le chemin sera encore trèèèèès long pour y parvenir...

Avant de se lancer à créer de l'antimatière, il faut réfléchir à comment la stocker. Ben oui, matière et antimatière s'annihilent violemment et instantanément. Impossible donc de stocker de l'antimatière dans un contenant en matière !

2 solutions sont trouvées :

• soit on maintien des antiparticules dans des faisceaux circulant dans les anneaux de stockage d'un accélérateur de particules,

• soit on les piège dans une chambre sous vide en contraignant les particules avec un champ électromagnétique.

Dans les 2 cas, se sont de lourdes et très coûteuses solutions de laboratoire, pas question d'envisager le stockage dans une caisse en bois à la cave pendant 10 ans ! 😂

Ces recherches sont hors de prix, notamment à cause des accélérateurs de particules. Le plus puissant au monde, le LHC, est mis en service en 2008. Il se trouve à cheval sur la frontière Franco-Suisse à quelques km au Nord de Genève 🇨🇭, c'est un anneau souterrain de 27 km de circonférence !

L'impressionnante taille du LHC au Nord de Genève.

C'est l'un des instruments scientifique le plus couteux de l'histoire : entre 4 et 5 milliards 💵 d'euros ! Inévitablement, les finances commencent à manquer. 💸

Les militaires, américains comme soviétiques, surveillent de près ces avancées et se voient déjà avec des armes nucléaires exemptes de retombées radioactives, des armes à faisceaux projetant des jets de plasmas thermonucléaires, des lasers à rayons x ou gamma, toutes surpuissantes mais compactes et légères car boostées à l'antimatière. Sans surprise, ils vont mettre des dollars sur la table. 💰💰💰

L'investissement financier est prolifique :

• 1986 la première antiparticule (un atome complet) est crée et capturée dans un piège électromagnétique. Les antiprotons capturés n'ont pu être conservés qu'une dizaine de minutes en raison de la précarité de l'expérience.

• 1995 : le premier atome d'antihydrogène est créé (mais pas encore stocké et sa durée de vie est très courte) au sein du labo du CERN à Genève. L'installation spécialement dédiée à l'antimatière porte un nom plutôt explicite : Antiproton Decelerator, ou AD.

• 2010 : toujours au CERN de Genève, des atomes d'antihydrogènes sont créés et stockés dans un champ électromagnétique.

• 2011 : c'est au tour d'un noyau d'antihélium lors de l'expérience ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus ou Appareil de physique laser pour l'antihydrogène).

• 2026 : le CERN réussit la prouesse de transporter 92 antiprotons sur une distance de 8 km entre 2 sites du labo. Dans un camion 🚛 ! 😆 Source.

Pour résumer, on peut dire qu'un atome d'antimatière est exactement semblable au même atome de matière ordinaire, à ceci près que les charges électriques sont inversées :

Et que l'antimatière existe à l'état naturel (dans les rayons cosmiques, dans les interactions de particules dans l'atmosphère, etc.) mais on sait la fabriquer dans les accélérateurs de particules.

L'antimatière dans l'univers :

Selon le modèle standard de la cosmologie : après le bigbang, matière et antimatière devraient être réparties équitablement dans l'univers. Si c'était le cas, les deux s'annihileraient, il n'y aurait pas d'univers et nous ne serions pas là. Donc il y a une douille.

Ce paradoxe, c'est celui de la symétrie CPT matière-antimatière, ou baryogenèse. (CPT : Charge électrique, Parité, Temps).

Pour une raison encore mal comprise de nos jours, la matière l'a emporté sur l'antimatière. L'idée serait que l'antimatière aurait été produite un milliardième de fois moins que la matière (soit en ordre de grandeur : 1 000 000 000 particules d'antimatière pour 1 000 000 001 particules de matière classique).

L'annihilation mutuelle aurait alors conduit à ne laisser que de la matière, en quantité infime par rapport à la quantité présente avant l'annihilation.

Les débouchées :

• Domaine médical :

  - la tomographie par émission de positrons utilise déjà les interactions positrons / électrons à des fins de diagnostiques ! Source.

  - Le CERN étudie l'utilisation d'antiprotons pour cibler et détruire des cellules cancéreuses de manière très précise tout en épargnant les tissus sains (stade expérimental). Source.

  
  

• Spatial : Sur le papier, des quantités extrêmement faibles d'antimatière pourraient fournir l'énergie nécessaire à des missions interplanétaires, voire interstellaires. En pratique, nous sommes aujourd'hui extraordinairement loin de pouvoir en produire de telles quantités. Nous ne savons produire et stocker que des quantités infimes d'antimatière, encore très loin du milligramme, et a fortiori du gramme. Des quantités qui restent dérisoire par rapport au volume qui serait nécessaire. 🚀

  Je parle du le voyage interstellaire ici.

  
  

• Militaire : une bombe d'un gramme d'antimatière serait 2 fois plus puissante que la bombe de Nagasaki ! On comprend pourquoi les milis sont tout excités !

  Si 1 gramme d'antimatière rencontre 1 gramme de matière, on annihile 2 g de masse :

  E = mc² ≈ 1,8 × 10¹⁴ Joules. C'est environ 43 kilotonnes de TNT. La bombe de Nagasaki était autour de 21 kilotonnes.

  Je vais vous le redire autrement : 1 gramme d'antimatière = 43 kt de TNT = 2 Nagasaki !

  Heureusement, aujourd'hui les coûts de production et les difficultés de réalisation rendent ce projet insurmontable.

  
  

  

Même en imaginant que des verrous vont sauter et permettront de créer plus d'antimatière à moindre coût, la question du transport de plus grandes quantités (quelques grammes, voire moins) restera épineux, surtout en cas de rupture accidentelle ou criminelle du champ électromagnétique.

Si quelques antiatomes rencontrent accidentellement la matière ordinaire, l'annihilation reste confinée à un environnement restreint. Il en serait tout autrement avec des quantités de l'ordre de grandeur du gramme, qui pourraient raser une ville moyenne, sans les produits radioactifs à longue durée de vie caractéristiques d'une explosion nucléaire. (les milis : 👌).

La science-fiction :

• Le vaisseau Enterprise (Star Trek) utilise un réacteur de distorsion (warp core),

• Le vaisseau Venture Star (Avatar) utilise un moteur hybride antimatière-fusion. C’est ce qui lui permet de voyager à 70 % de la vitesse de la lumière pour rejoindre Pandora.

• Dans The expense, une bombe de quelques grammes d'antimatière crée une explosion si lumineuse qu'elle brille depuis la Terre telle un second soleil.

• Dans la trilogie de Liu Cixin (le problème à trois corps), des "balles d'antimatière" sont développées pour détruire instantanément des vaisseaux spatiaux.

The final question :

Puisque l'antimatière se comporte à l'inverse de la matière, alors est-ce qu'elle "tombe" vers le ciel plutôt que vers le sol ?

C'est une question qui a sérieusement longtemps intrigué les chercheurs. 🤔

Personne n'avait pu expérimentalement vérifier si l'antimatière subissait exactement la même gravité que la matière.

C'est le CERN (encore) qui a finalement étudié directement la chute de l'antihydrogène avec l'expérience ALPHA-g. (g pour gravité).

Conclusion : l'antihydrogène tombe bien vers le bas, avec une accélération compatible avec celle attendue sous l'effet de la gravité terrestre.

Vous êtes déçu ? Moi aussi. Ça aurait été tellement fun ! 😂

Résumé :

Contrairement à ces technologies disruptives qui, 40 ans en arrière n'étaient que des fantasmes : smartphones, GPS, conduite autonome... mais sont aujourd'hui entrées dans nos vies au point de les trouver banales, je ne prends pas trop de risque en affirmant que l'antimatière n'envahira jamais notre quotidien.

La seule utilisation "grand public" que j'entrevois serait médicale.

Les verrous sont nombreux, coûteux, complexes et les accidents auraient des conséquences désastreuses.

L'antimatière est une réalité scientifique	✅
Elle existe à l'état naturel (rayons cosmiques)	✅
Mais on sait la produire artificiellement (accélérateur de particules)	✅
L'annihilation matière-antimatière est le moyen le plus efficace connu à ce jour pour convertir de la masse en énergie.	✅
Elle est déjà utilisée dans le domaine médical (tomographie)	✅
C'est la solution pour les voyages spatiaux lointains	❌
La prochaine génération d'armes ultimes sera à base d'antimatière	❌
Vous avez passé un bon moment sur Space News	😀

Michel Havez, Août 2026.