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Positron



L'électron positif, corpuscule d'avant-garde de l'antimatière

Le positron ou positon a été découvert en 1933 par le physicien américain Carl Anderson. Anderson étudiait les particules présentes dans le rayonnement cosmique avec l’aide d‘une chambre de Wilson ou chambre à brouillard. Quand une particule porteuse d’une charge électrique traversait la chambre, la vapeur se condensait en de fines gouttelettes le long de sa trajectoire. La trajectoire était ainsi visualisée. La présence du champ magnétique d’une bobine qui courbait les trajectoires permettait de déterminer le signe, positif ou négatif, de la charge électrique.

Le positron d'Anderson
Photographie historique de l'une des premières trajectoires de positons observée par Anderson en 1933 dans une chambre à brouillard. Un champ magnétique courbe la trajectoire et l'interposition d'une plaque de plomb permet de déterminer le sens de parcours de la particule traversant la chambre (flèche). Le sens de la courbure indique qu'il s'agit d'une particule positive (un électron aurait suivi le trajet en rouge) qui n'est pas un proton dont le parcours aurait été beaucoup plus court.
C.D. Anderson, Physical Review 43, 491 (1933).

Dans l'atome, la Nature a attribué un rôle on ne peut plus différent aux protons et électrons porteurs pourtant de la même charge électrique élémentaire +e ou -e. Le proton "positif" est confiné dans le noyau; L'électron "négatif" fait partie du cortège électronique qui circule autour du noyau. Il est 1837 fois plus légers. Pourquoi n'existerait-il pas dans la Nature des protons qui seraient négatifs et des électrons qui seraient positifs.

La découverte d'un électron positif par Anderson a constitué le premier indice de l'existence de ces particules aux propriétés symétriques ou inverses de celles de notre monde ordinaire. Elles font partie de ce que l'on appelle aujourd'hui l'antimatière.

Pour démontrer l'existence de l'antiproton, il fallut attendre le développement des grands accélérateurs de particules. En 1955, l'équipe d'Emilio Segré et d'Owen Chamberlain utilisant à cette fin, le nouvel accélérateur de Berkeley (Californie), le bévatron, prouva l'existence de l'antiproton, puis peu après celle de l'inverse du neutron, l'antineutron.

Constituants de l'antimatière
Aux quatre constituants fondamentaux de la matière ordinaire, correspondent dans l'antimatière quatre constituants qui en sont les antiparticules. Le positron (ou positon) est le plus visible. L'antineutrino est abondamment produit lors des désintégrations bêta, mais quasiment indétectables. Les antiquarks up et down constituent les antiprotons et antineutrons antiparticules des protons et neutrons des noyaux. IN2P3
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Le positon n'existe pas dans notre environnement. Si l'on se souvient de la relation d'Einstein E = M c² qui relie la masse à l'énergie, on peut produire un positon avec de l'énergie. Il faut au moins apporter son énergie de masse qui vaut 511 keV. Il faut aussi pour respecter l'équilibre entre matière et antimatière créer une particule de matière, soit un électron, soit un neutrino. Il faut enfin compenser la charge électrique positive apparue.

Un mode rare de désintégrations radioactives - appelées bêta-plus - produit des positons. Le positon est associé à un neutrino-électron que l'on ne voit pas. L'énergie est prélevée sur l'énergie libérée par la désintégration.

Un second processus est la production simultanée d'un électron et d'un positon lors de l'interaction d'un gamma d'énergie suffisante avec un noyau, la production de paires. Comme un électron est aussi produit, il faut ajouter 511 kev aux 511 kev nécessaires pour créer le positon. Le gamma doit avoir une énergie supérieure à 1022 keV. La production de paires joue un rôle marginal dans notre environnement. Lors des désintégrations radioactives, peu de gamma possèdent de telles énergies.

Production de paires positon-électron
La mécanique quantique autorise un photon à se transformer pendant un instant très bref en un paire de particule et d'antiparticule comme un électron et un positon (A) qui se recombinent ensuite. Si durant cet instant, la paire passe a proximité du fort champ électrique d'un noyau elle interagit avec celui-ci (B). L'interaction avec le noyau permet la création définitive de l'électron et du positon. L'énergie de masse (2 fois 511 keV) nécessaire pour la formation des deux corpuscules est prélevée sur l'énergie du gamma qui doit être supérieure à 1;022 MeV.
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La matière de notre monde comporte des milliards de milliards de milliards d'électrons. S'il ne circule pas dans le vide, le positon rencontre très vite un de ces électrons. Antiparticules l'un de l'autre, le positon et l'électron se détruisent mutuellement, s'annihilent. Deux gamma d'annihilations d'énergie égale sont émis dos à dos. Chacun emporteles 511 keV d'énergie de masse des deux corpuscules qui est ainsi restituée. Cette réaction d'annihilation très caractéristique est utilisée en médecine nucléaire pour le dépistage des cancers.

Circulant au milieu de ces ennemis que constituent pour lui les électrons, les positons sont quasiment absents de notre environnement. Il en va de même des antiprotons. Comment expliquer cette absence de l'antimatière autour de nous, alors qu'à l'échelle élémentaire chaque fois qu'un corpuscule est créé ou détruit, un anticorpuscule l'est aussi. Où est passé l'antimatière ? C'est un des grandes questions auxquelles doit répondre la physique des particules.

Des expériences ont mises en évidence que la symétrie entre particules et antiparticules n'était pas parfaite dans le cas des forces faibles qui sont à l'origine en particulier de la radioactivité bêta. Cette asymétrie qui est minime peut-elle expliquer l'absence apparente de l'antimatière autour de nous ?

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