Comment détecter l'antihydrogène?
D'un point de vue mathématique ( symétrie CPT ), il est très probable que l' antihydrogène ait les mêmes spectres (absorption et émission) que l'hydrogène. Le CERN a confirmé cette hypothèse avec une grande précision pour le rayon 1S-2S: spectre antihydrogène ALPHA CERN 1S-2S .
Dans cette hypothèse, comment pouvons-nous affirmer qu'un nuage ou une étoile lointaine (dans une galaxie voisine) est constitué d'hydrogène ou d'antihydrogène?
NB: cette question est un petit pas sur un chemin pour mieux comprendre l'histoire de la matière et de l'antimatière dans l'univers, une des composantes de cette excellente question Comment distinguer les galaxies d'antimatière? .
Réponses
Comme vous l'avez déjà noté, nous ne pouvons pas détecter l'antimatière cosmique à partir de son spectre.
Comme les réponses à Comment pourrions-nous distinguer les galaxies d'antimatière? indiquer, il y a deux façons dont nous pourrions détecter l' antimatière cosmique.
Premièrement, nous verrions la signature de rayon gamma de 511 keV révélatrice des réactions d'annihilation électron + positron provenant de la frontière de la région d'antimatière où elle entre en contact avec la matière normale. Les antiprotons et les antineutrons seront (bien sûr) également anéantis au contact de la matière normale. De telles réactions d'annihilation sont plutôt désordonnées et peuvent émettre des rayons gamma d'énergies diverses. Ils émettent également d'autres particules, par exemple des pions, mais ils se désintègrent rapidement, et la signature à longue distance de ces réactions est assez similaire à celle de l'annihilation électron + positron. Je donne plus de détails sur les réactions d'annihilation dans ma réponse à Qu'arrive-t-il à l'information quantique d'une particule et d'une antiparticule lorsqu'elles s'annihilent?
Les réactions d'annihilation sont intenses. Après tout, toute la masse impliquée est convertie en photons, alors que même les réactions de fusion nucléaire les plus puissantes ne convertissent qu'un petit pourcentage de la masse au repos en photons et énergie cinétique. Mais vous ne pouvez pas comparer les réactions d'annihilation à la frontière d'un nuage de gaz spatial avec la puissance d'une supernova.
Le gaz spatial a tendance à être extrêmement ténu, avec moins de particules par mètre cube que les aspirateurs les plus durs que nous pouvons produire sur Terre. Un nuage d'antihydrogène réagissant avec l'hydrogène environnant dégagerait beaucoup de gamma, chauffant le gaz, mais il ne crée aucune sorte de réaction en chaîne et le nuage mettra un certain temps à s'annihiler complètement.
D'après les collisions hydrogène-antihydrogène [P. Froelich, S. Jonsell, A. Saenz, B. Zygelman et A. Dalgarno Phys. Rev. Lett. 84, 4577 - Publié le 15 mai 2000]
Étonnamment, en commençant par $n_H = n_{\bar H} = 10^7 \text{cm}^{-3}$ et l'énergie <10 K, il faut 17 minutes entières pour que le mélange de quantités égales d'hydrogène et d'antihydrogène perde la moitié de tous les atomes.
$n_H$ et $n_{\bar H}$sont les densités en nombre de particules d'hydrogène et d'antihydrogène, respectivement, dans un mélange homogène froid d'hydrogène et d'antihydrogène. Notez que les densités de particules dans le milieu interstellaire sont généralement beaucoup plus petites, allant de$20 \text{cm}^{-3}$ à $10^{-4} \text{cm}^{-3}$. La densité moyenne dans les nuages moléculaires , où se forment les étoiles, peut être beaucoup plus élevée, par ex.$10^2 – 10^6 \text{cm}^{-3}$, mais même l'extrémité dense de cette plage est 1/10 de la densité mentionnée dans cette citation de Froelich, Jonsell et al.
OTOH, la collision d'une étoile normale avec une étoile d'antimatière serait extrêmement spectaculaire. ;)
L'autre option mentionnée à la question liée est que s'il y a des étoiles entières faites d'antimatière, nous pourrions avoir la chance de détecter les antineutrinos d'une supernova d'effondrement du noyau d'antimatière. Comme expliqué sur Wikipédia , l'effondrement du cœur produit également de grandes quantités de neutrinos thermiques et d'antineutrinos en quantités égales, et ils sont plusieurs fois plus nombreux que les neutrinos de capture d'électrons. Nous aurions donc besoin de détecter à la fois les neutrinos et les antineutrinos et de mesurer soigneusement leur rapport pour faire la distinction entre une supernova régulière et une antimatière.
La détection des neutrinos / antineutrinos est difficile. Les meilleurs détecteurs utilisant la technologie actuelle ne peuvent détecter les neutrinos qu'avec une énergie cinétique d'environ 300 000 fois leur masse au repos. Et même alors, des milliards de neutrinos passent directement à travers le détecteur sans être détecté pour chaque neutrino qui est détecté. Nous avons détecté une poignée de neutrinos de la supernova SN 1987A dans le Grand Nuage de Magellan). Espérons que les détecteurs modernes pourraient en détecter quelques-uns de plus, si la supernova était suffisamment proche. Mais je ne sais pas si nous pourrions en attraper suffisamment pour déterminer avec suffisamment de précision leur rapport.
Des atomes d'antihydrogène ont été créés en laboratoire et leurs caractéristiques spectrales de base ont été confirmées comme identiques à celles de l'hydrogène. Nous ne pouvons donc pas le dire en observant directement un objet.
Mais nous le déduisons du fait qu'aucune interaction grossière entre la matière et l'antimatière n'a été observée. Une réponse complète est donnée à Comment distinguer les galaxies d'antimatière? , mais voici une version courte.
L'espace interstellaire, même l'espace intergalactique, n'est pas entièrement vide. La matière peut être considérablement atténuée, jusqu'à une poignée d'atomes par mètre cube ou autre, mais elle est toujours là. Si un objet était fait d'antimatière, certains de ses atomes se dissiperaient dans l'espace et finiraient par rencontrer de la matière ordinaire. Une partie de la matière dans l'espace est ionisée. Les électrons et les anti-électrons (positrons) sont chargés de manière opposée. Des expériences en laboratoire ont montré qu'ils se lieront brièvement pour former un atome de positronium avant de s'annihiler mutuellement dans un éclair de rayonnement. Quelque chose de similaire doit se produire entre un proton et un antiproton, même si je ne sais pas si cela a été testé en laboratoire. D'autres interactions d'annihilation de charge neutre se produiront également.
Donc, s'il y avait de l'antimatière, il y aurait un filet constant du rayonnement caractéristique de la zone tampon, avec des méga-rafales occasionnelles lorsque des objets matériels et anti-matériels entrent en collision. Ces émissions de rayonnement seraient facilement détectables avec des instruments modernes, mais elles ne sont tout simplement pas là dans le ciel.
La raison pour laquelle il n'y a pas d'antimatière est l'un des petits mystères de la vie; quelque chose quand a brisé une symétrie (loi de conservation), mais nous n'avons aucune idée de quoi, quand ou comment.