Ressources pédagogiques  Les participants du challenge

Melissa Valdez au CERN

Melissa Valdez au CERN (photo prise par Travis Valdez, fournie par Melissa Valdez)

Les STIM en contexte

Qu’est ce que l’antimatière et quel intérêt?

Melissa Valdez
Format
Classe
Lisibilité
9.1
Sujets

Résumé

Melissa Valdez relate ses recherches sur l’antimatière qu’elle a menées au CERN dans le cadre de ses études aux cycles supérieurs à l’Université York.

Si tu lis cet article en dehors de l’école, tu dois vraiment aimer la science! Lorsque j’étais au secondaire, j’ai passé mes étés à lire des magazines scientifiques. Je me souviens d’avoir découpé une photo du grand collisionneur de hadrons au CERN lors de sa mise en service en 2010.

Segment de l’accélérateur du grand collisionneur de hadrons
Segment de l’accélérateur du grand collisionneur de hadrons (Source: xenotar via iStockphoto).

Pour moi, les recherches de pointe effectuées par des physiciens et physiciennes étaient une grande source d’inspiration. J’épinglais leurs articles à mon babillard. Cinq ans plus tard, j’obtenais mon diplôme de premier cycle en physique. Puis, j’ai eu l’occasion d’effectuer moi-même des recherches au CERN!

Dans le cadre de mes études aux cycles supérieurs, j’ai travaillé sur un projet de recherche appelé ALPHA. Cela signifie « Antihydrogen Laser Physics Apparatus ». Il s’agit également du nom de la première expérience réalisée par mon équipe. L’objectif était de fabriquer des atomes d’antihydrogène, puis de les étudier à l’aide de lasers.

 

Une partie de l’appareil Antihydrogen Laser Physics
Une partie de l’appareil Antihydrogen Laser Physics (Source: xenotar via iStockphoto).

Les lasers émettent une lumière monochromatique. Cela signifie que la lumière est composée d’une seule longueur d’onde ou d’une seule couleur. Dans le domaine de la physique, on utilise la lumière émise par des lasers pour « exciter » des atomes. Il faut que la lumière possède la quantité précise d’énergie dont les électrons ont besoin pour effectuer une transition entre deux niveaux d’énergie. Ainsi, l’équipe de recherche peut observer la transition à l’instant où elle se produit.

Des lasers monochromatiques ayant des longueurs d’onde de 520 nm, 445 nm et 635 nm
Des lasers monochromatiques ayant des longueurs d’onde de 520 nm, 445 nm et 635 nm (Source: 彭家杰 [CC BY-SA] via Wikimedia Commons).

 

Alors pourquoi utilise-t-on des atomes d’hydrogène? Il s’agit de l’atome le plus simple du tableau périodique. Il est constitué d’un seul proton et d’un seul électron. Par conséquent, l’hydrogène a fait l’objet de nombreuses recherches. On connaît donc bien ses propriétés physiques : la masse, la charge, le spin, les niveaux d’énergie, etc. Par comparaison, l’antihydrogène demeure beaucoup plus mystérieux. L’antihydrogène est composé d’un antiproton (un proton chargé négativement) et d’un positron (un électron chargé positivement).

Des modèles de Bohr représentant l’hydrogène et l’antihydrogène
Des modèles de Bohr représentant l’hydrogène et l’antihydrogène. Il faut noter que les particules subatomiques ne sont pas représentées à l’échelle (Parlons sciences à partir d’une image de pikepiCture sur iStockphoto).

D’après le modèle standard de la physique des particules, les particules et les antiparticules partagent toutes les mêmes propriétés, à part la charge. Les scientifiques pensent que les antiparticules ont la même valeur de charge, mais précédée du signe inverse. 

En étudiant les propriétés physiques de l’antihydrogène, l’équipe ALPHA cherche à confirmer si les valeurs pour l’antihydrogène sont les mêmes que pour l’hydrogène ordinaire. Tout écart indiquerait qu’il existe une « nouvelle physique » au-delà du modèle standard.

Le savais-tu?

On applique déjà la science de l’antimatière à l’imagerie médicale. La tomographie par émission de positrons (TEP ou PET scan en anglais) permet d’évaluer le fonctionnement des organes en recherchant des preuves de la production de positrons.

En fin de compte, on veut comprendre pourquoi on observe plus de matière que d’antimatière dans l’univers. En théorie, au moment du Big Bang, des quantités égales de matière et d’antimatière auraient été produites. Les scientifiques cherchent donc à déterminer ce qui aurait fait pencher la balance en faveur de la matière « ordinaire ». 

Comment le savons-nous? Lorsqu’une particule rencontre son antiparticule homologue, leurs masses se transforment entièrement en énergie et elles disparaissent. Ce processus, appelé annihilation, est régi par la célèbre équation E = mc2.

Pourtant, s’il y avait autant d’antimatière que de matière à la suite du Big Bang, l’univers aurait été anéanti peu après sa formation. Il ne serait resté qu’un surplus d’énergie. 

Notre existence même démontre donc que ce n’est pas tout à fait ce qui s’est passé! Le projet ALPHA cherche donc à comprendre le sort de l’antimatière disparue, ou bien à expliquer pourquoi plus de matière que d’antimatière a été créée lors de la naissance de l’univers. Autrement dit, l’équipe de recherche veut résoudre l’énigme de l’asymétrie matière-antimatière.

Le savais-tu?

L’antimatière est tellement difficile à produire qu’on ne peut pas l’utiliser comme arme. Si l’on faisait exploser toute l’antimatière produite en laboratoire au cours des 30 dernières années, l’effet serait semblable à l’allumage d’une allumette.

Notre appareil expérimental s’appelle ALPHA-2. Il est situé dans le pavillon du Décélérateur d’antiprotons au CERN. Surnommé « l’usine à antimatière », cet immeuble est le siège de plusieurs autres expériences liées à l’antimatière. Les programmes de recherche AEgIS, ASACUSA et ATRAP visent tous une meilleure compréhension de l’antimatière.

L’appareil expérimental ALPHA-2
L’appareil expérimental ALPHA-2, situé dans « l’usine à antimatière » au CERN (Source : Travis Valdez, fournie par Melissa Valdez).

Est-ce que l’antimatière te fascine autant que moi? Peut-être que dans cinq ans, tu auras également l’occasion de travailler sur un projet de recherche qui se poursuit à « l’usine à antimatière »! 

Amorces de discussion

Faire des liens
  • Aimes-tu lire au sujet des dernières découvertes scientifiques? Pourquoi ou pourquoi pas?
  • Aimerais-tu mener des recherches en physique comme Melissa Valdez?
  • As-tu déjà subi ou un de tes proches a-t-il déjà subi un examen par TEP? Quelle était la raison de l’examen?
Faire des liens
  • Aimes-tu lire au sujet des dernières découvertes scientifiques? Pourquoi ou pourquoi pas?
  • Aimerais-tu mener des recherches en physique comme Melissa Valdez?
  • As-tu déjà subi ou un de tes proches a-t-il déjà subi un examen par TEP? Quelle était la raison de l’examen?
Relier la science et la technologie à la société et à l'environnement
  • La recherche sur l’antimatière implique des coûts importants. Quelle est l’utilité de mener ce type de recherche?
Relier la science et la technologie à la société et à l'environnement
  • La recherche sur l’antimatière implique des coûts importants. Quelle est l’utilité de mener ce type de recherche?
Explorer les concepts
  • Qu’est-ce que la matière? Qu’est-ce que l’antimatière?
  • Qu’est-ce que le modèle standard de la physique des particules? 
  • Quel est l’objectif du projet ALPHA? Pourquoi a-t-on choisi d’étudier l’hydrogène?
Explorer les concepts
  • Qu’est-ce que la matière? Qu’est-ce que l’antimatière?
  • Qu’est-ce que le modèle standard de la physique des particules? 
  • Quel est l’objectif du projet ALPHA? Pourquoi a-t-on choisi d’étudier l’hydrogène?
Nature de la science et de la technologie
  • Sur quelle branche de la physique théorique l’article porte-t-il? Quelles sont les autres branches de la physique théorique? Pourquoi l’appelle-t-on la physique « théorique »? (Note : Tu devras peut-être faire des recherches supplémentaires avant de répondre.)
Nature de la science et de la technologie
  • Sur quelle branche de la physique théorique l’article porte-t-il? Quelles sont les autres branches de la physique théorique? Pourquoi l’appelle-t-on la physique « théorique »? (Note : Tu devras peut-être faire des recherches supplémentaires avant de répondre.)
Littératie médiatique
  • Le grand collisionneur de hadrons et le CERN sont-ils présents sur les médias sociaux? Quelle est l’utilité de partager de l’information sur les activités qui se poursuivent dans ce centre de recherche scientifique?
Littératie médiatique
  • Le grand collisionneur de hadrons et le CERN sont-ils présents sur les médias sociaux? Quelle est l’utilité de partager de l’information sur les activités qui se poursuivent dans ce centre de recherche scientifique?
Suggestions pour l'enseignement
  • Cet article soutient l’enseignement et l’apprentissage de notions de physique reliées à la physique moderne et à la physique des particules. L’article présente notamment les concepts suivants : l’antihydrogène, les lasers, les longueurs d’onde, l’hydrogène, le modèle standard de la physique des particules, le Big Bang, l’antimatière, l’annihilation et l’équation E = mc2.
  • Après la lecture de l’article, vous pouvez demander aux élèves de consolider leur compréhension de l’antimatière à l’aide de la stratégie d’apprentissage « Toile de définition du concept ». Des fiches reproductibles prêtes à utiliser avec cette stratégie sont disponibles en format [Google doc] et [PDF]. 
  • Vous pouvez demander aux élèves d’explorer davantage le sujet à l’aide de la stratégie d’apprentissage « Enjeux et parties prenantes ». Celle-ci permet d’analyser les perspectives de diverses parties prenantes (y compris les scientifiques dans le domaine de la physique, les autorités publiques, les autres membres de la communauté scientifique et les membres du public) sur l’importance de la recherche sur l’antimatière. Des fiches reproductibles prêtes à utiliser avec cette stratégie sont disponibles en format [Google doc] et [PDF].
Suggestions pour l'enseignement
  • Cet article soutient l’enseignement et l’apprentissage de notions de physique reliées à la physique moderne et à la physique des particules. L’article présente notamment les concepts suivants : l’antihydrogène, les lasers, les longueurs d’onde, l’hydrogène, le modèle standard de la physique des particules, le Big Bang, l’antimatière, l’annihilation et l’équation E = mc2.
  • Après la lecture de l’article, vous pouvez demander aux élèves de consolider leur compréhension de l’antimatière à l’aide de la stratégie d’apprentissage « Toile de définition du concept ». Des fiches reproductibles prêtes à utiliser avec cette stratégie sont disponibles en format [Google doc] et [PDF]. 
  • Vous pouvez demander aux élèves d’explorer davantage le sujet à l’aide de la stratégie d’apprentissage « Enjeux et parties prenantes ». Celle-ci permet d’analyser les perspectives de diverses parties prenantes (y compris les scientifiques dans le domaine de la physique, les autorités publiques, les autres membres de la communauté scientifique et les membres du public) sur l’importance de la recherche sur l’antimatière. Des fiches reproductibles prêtes à utiliser avec cette stratégie sont disponibles en format [Google doc] et [PDF].

En savoir plus

Et si vous Explosiez une Bombe Antimatière sur la Terre? (2019)

Vidéo (11 min 10 s) de Ridddle FR

QU'EST-CE QUE L’ANTIMATIÈRE ? (2016)

Vidéo (5 min 2 s) expliquant ce qu’est l'antimatière de DIMENSION

Qu'est-il advenu de l'antimatière ? (2013)

Vidéo (5 min 2 s)avec sous-titres français de TED sur le mystère de l’antimatière

Références

Cartlidge, E. (2020, February 20). CERN physicists close in on antimatter–matter asymmetry. Physics World.

European Organization for Nuclear Research . (n.d.). Antimatter at CERN. https://home.cern/

European Organization for Nuclear Research. (n.d.). The Standard Model. https://home.cern/

Melissa Valdez

Melissa Valdez a commencé à faire du bénévolat pour Parlons sciences en 2013. Elle est ensuite devenue coordonnatrice adjointe régionale pour l’organisme. Aujourd’hui, elle travaille comme spécialiste en intelligence artificielle chez IBM. Toutefois, elle continue de donner des conférences sur ses expériences en tant qu’étudiante diplômée au CERN, en tant que vulgarisatrice scientifique et femme dans le domaine de la physique.