Le CERN éclaircit un peu plus le mystère de l’asymétrie matière-antimatière

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Bien que le modèle cosmologique standard prédise que matière et antimatière ont été produites en quantités identiques lors du Big Bang, nous évoluons aujourd’hui dans un univers composé de matière. Ce phénomène, appelé asymétrie matière-antimatière, est un domaine de recherche extrêmement actif et de nombreuses hypothèses ont été formulées au fil du temps. Récemment, des résultats issus de l’expérience LHCb du CERN concernant les mésons (des particules constituées d’un quark et d’un antiquark) ont révélé un mécanisme potentiel par lequel cette asymétrie aurait pu être générée.

L’existence de l’antimatière a été prédite par l’équation du physicien Paul Dirac décrivant le mouvement des électrons en 1928. Au début, il n’était pas clair s’il s’agissait simplement d’une curiosité mathématique ou d’une description d’une particule réelle. Mais en 1932, Carl Anderson a découvert un partenaire d’antimatière de l’électron — le positron — tout en étudiant les rayons cosmiques qui arrivent sur Terre depuis l’espace. Au cours des prochaines décennies, les physiciens ont découvert que toutes les particules de matière avaient des partenaires d’antimatière.

Les cosmologistes pensent que dans l’état très chaud et dense peu après le Big Bang, des processus inconnus ont donné la préférence à la matière par rapport à l’antimatière. Cela a créé un petit surplus de matière et, à mesure que l’Univers se refroidissait, toute l’antimatière a été détruite, ou annihilée, par une quantité égale, laissant un minuscule surplus de matière. Et c’est ce surplus qui constitue tout ce que nous voyons dans l’Univers aujourd’hui.

Le comportement des quarks, qui sont les éléments fondamentaux de la matière avec les leptons, peut faire la lumière sur la différence entre la matière et l’antimatière. Les quarks se présentent sous différentes formes, ou « saveurs », appelées up, down, charm, strange, bottom et top, plus six anti-quarks correspondants.

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L’étrange comportement des mésons

Les quarks up et down sont ceux qui composent les protons et les neutrons dans les noyaux de la matière baryonique (ordinaire), et les autres quarks peuvent être produits par des processus à haute énergie — par exemple par la collision de particules dans des accélérateurs tels que le grand collisionneur de hadrons du CERN. Les particules constituées d’un quark et d’un anti-quark sont appelées mésons, et il existe quatre mésons neutres (B0S, B0, D0 et K0) qui présentent un comportement singulier.

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Les mésons sont des hadrons, comme les baryons. Mais contrairement à ces derniers, ils sont composés d’une paire quark-antiquark. © Forschungszentrum Jülich/SeitenPlan

Ils peuvent se transformer spontanément en leur partenaire antiparticule puis revenir à leur premier état, phénomène qui a été observé pour la première fois dans les années 1960. Comme ils sont instables, ils vont « se désintégrer » en d’autres particules plus stables à un moment donné de leur oscillation. Cette désintégration se produit légèrement différemment pour les mésons par rapport aux anti-mésons, ce qui, combiné à l’oscillation, signifie que le taux de désintégration varie dans le temps.

Les règles des oscillations et des désintégrations sont données par un cadre théorique appelé mécanisme de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM). Il prédit qu’il y a une différence dans le comportement de la matière et de l’antimatière, mais qui est trop petite pour générer le surplus de matière dans l’Univers primitif nécessaire pour expliquer l’abondance que nous voyons aujourd’hui. Cela indique qu’il y a quelque chose que nous ne comprenons pas et que l’étude de ce sujet peut remettre en question certaines de nos théories les plus fondamentales en physique.

Des différences dans les taux de désintégration

Le récent résultat de l’expérience LHCb est une étude des mésons B0S neutres, examinant leurs désintégrations en paires de mésons K chargés. Les mésons B0S ont été créés en heurtant des protons avec d’autres protons dans le grand collisionneur de hadrons, où ils ont oscillé en leur anti-méson et leur état initial trois trillions de fois par seconde. Les collisions ont également créé des mésons anti-B0S qui oscillent de la même manière, donnant des échantillons de mésons et d’anti-mésons qui pouvaient être comparés.

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Graphiques montrant la différence dans la désintégration (droite) pour les canaux Bπ+π− (haut gauche) et BsK+K− (bas gauche). © LHCb Collaboration

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Les chercheurs ont compté le nombre de désintégrations des deux échantillons et comparé les deux nombres, pour voir comment cette différence variait à mesure que l’oscillation progressait. Il y avait une légère différence — avec plus de désintégrations se produisant pour l’un des mésons B0S. Et pour la première fois pour les mésons B0S, il a été observé que la différence de désintégration, ou asymétrie, variait en fonction de l’oscillation entre le méson B0S et l’anti-méson.

En plus d’être une étape importante dans l’étude des différences matière-antimatière, les auteurs ont également pu mesurer la taille des asymétries. Cela peut se traduire par des mesures de plusieurs paramètres de la théorie sous-jacente. La comparaison des résultats avec d’autres mesures fournit un contrôle de cohérence, pour voir si la théorie actuellement acceptée est une description correcte de la nature.

Étant donné que la faible préférence de la matière sur l’antimatière que nous observons à l’échelle microscopique ne peut expliquer l’abondance écrasante de matière que nous observons dans l’Univers, il est probable que notre compréhension actuelle soit une approximation d’une théorie plus fondamentale. L’étude de ce mécanisme que nous connaissons pour générer des asymétries matière-antimatière, en le sondant sous différents angles, peut nous dire où se situe le problème. Étudier le monde à la plus petite échelle est notre meilleure chance de pouvoir comprendre ce que nous voyons à plus grande échelle.

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Sources : arXiv

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