Une piste vers l’origine de l’Univers découverte dans les baryons

Pourquoi l’Univers est-il composé presque uniquement de matière ? Cette question, l’une des grandes énigmes de la cosmologie moderne, défie depuis des décennies le modèle standard de la physique, selon lequel matière et antimatière auraient dû émerger en quantités égales lors du Big Bang. Pour comprendre ce déséquilibre, les chercheurs du CERN explorent un phénomène fondamental : la violation de la symétrie Charge-Parité (CP), qui régit le comportement de la matière et de son opposée. Grâce à l’expérience LHCb, ils viennent d’observer, pour la première fois, une telle violation dans les baryons. Cette découverte, consignée dans une prépublication sur arXiv, ouvre une nouvelle piste pour expliquer l’asymétrie profonde de notre univers.

La symétrie CP constitue l’un des piliers de la physique des particules. Elle résulte de la combinaison de deux transformations fondamentales. La première, la conjugaison de charge (C), issue de l’équation de Dirac, transforme une particule en son antiparticule, inversant toutes ses charges – électrique, faible et de couleur. Ainsi, un électron devient un positron.

La seconde, la parité (P), opère comme un miroir : elle inverse les coordonnées spatiales d’une particule – la gauche devient la droite – tout en préservant son spin. La symétrie CP postule que les lois de la physique restent inchangées lorsqu’on applique simultanément ces deux opérations. Autrement dit, un phénomène physique et son image CP-inversée devraient se comporter de façon identique, sans distinction entre matière et antimatière.

Longtemps, cette symétrie fut considérée comme inviolable, tout comme les symétries C et P, censées être respectées par les interactions fondamentales, telles que l’électromagnétisme ou l’interaction forte. Mais cette vision fut ébranlée en 1956, lorsque la physicienne sino-américaine Chien-Shiung Wu démontra que l’interaction faible violait la parité (P). Une découverte capitale, qui souleva une interrogation majeure : la symétrie CP subsistait-elle ?

La réponse surgit en 1964 grâce aux travaux de James Cronin et Val Fitch, menés au sein d’une équipe de chercheurs. En étudiant la désintégration des mésons K neutres, ils mirent au jour une violation de la symétrie CP : certains mésons se désintégraient d’une manière incompatible avec sa conservation. Cette révélation, récompensée par un prix Nobel, démontra que la nature marque une subtile dissymétrie entre matière et antimatière au sein des interactions faibles.

Ce déséquilibre, bien que ténu, pourrait expliquer la prédominance de la matière dans l’Univers. Le mécanisme de cette violation a été intégré au modèle standard via la matrice CKM (Cabibbo-Kobayashi-Maskawa), qui décrit les transitions entre quarks.

Toutefois, l’ampleur de la violation CP prédite par le modèle reste insuffisante pour rendre compte de l’asymétrie observée à grande échelle, incitant les physiciens à rechercher de nouvelles sources de violation CP, au-delà du cadre théorique actuel.

La violation CP dans les baryons

Jusqu’ici, cette violation n’avait été détectée que chez les mésons – particules formées de deux quarks. Les baryons, constitués de trois quarks, restaient en revanche muets sur ce phénomène, bien que les théoriciens en soupçonnent l’existence.

La présence de certains quarks, comme les quarks « beaux » (ou bottom), impliqués dans la violation CP chez les mésons, laissait présager une manifestation similaire dans les baryons, puisque ces quarks peuvent également y être présents. Mais aucune preuve expérimentale ne l’avait jusqu’alors confirmée.

Aujourd’hui, grâce aux collisions de haute énergie du Grand collisionneur de hadrons (LHC), l’expérience LHCb a enfin réuni assez de données pour observer cette violation