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Pour la toute première fois, les physiciens travaillant sur le Grand collisionneur de hadrons (LHC) ont pu observer des différences dans la désintégration des particules et des antiparticules contenant un élément de base de la matière : le quark charm. La découverte pourrait aider à élucider un grand mystère, celui de l’existence de la matière. En d’autres termes et par extension, elle pourrait donc aussi répondre, en un sens, à une question que l’on s’est tous déjà posés au moins une fois : pourquoi l’Univers existe-t-il ?

« C’est un événement historique » a déclaré Sheldon Stone, professeur de physique à l’Université de Syracuse (New York, États-Unis), et l’un des collaborateurs travaillant sur les nouveaux projets de recherche.

Chaque particule de matière possède une antiparticule de masse identique, mais de charge électrique opposée. Quand la matière et l’antimatière se rencontrent, elles s’annihilent. Et il s’agit d’un “problème” de la physique étant encore à résoudre : le Big Bang aurait dû créer une quantité équivalente de matière et d’antimatière, et toutes ces particules devraient s’être détruites rapidement, ne laissant que de l’énergie pure.

Mais au lieu de cela, environ un quark sur un milliard seulement (les quarks sont les particules élémentaires qui composent les protons et les neutrons) a survécu à l’évènement. Ainsi, la matière, et donc l’univers, a pu exister.

Mais cela signifie aussi que les particules et les antiparticules ne doivent pas se comporter de manière totalement identique, a déclaré Stone au journal Live Science. Ils devraient plutôt se désintégrer à des vitesses légèrement différentes, permettant ainsi un déséquilibre entre la matière et l’antimatière. Les physiciens appellent cette différence de comportement la violation de parité de charge (violation CP).

La notion de violation de CP a été introduite en 1967 par le physicien russe Andrei Sakharov, qui l’avait proposée pour expliquer pourquoi la matière avait survécu au Big Bang.

« C’est l’un des critères nécessaires à notre existence », a déclaré M. Stone. « Il est donc important de comprendre l’origine de la violation de CP ».

Il existe six types de quarks (de plusieurs sortes appelées saveurs), chacun avec ses propres propriétés : les quarks down et up (bas et haut), strange et charm, puis beauty (anciennement “bottom”) et truth (anciennement “top”).

En 1964, les physiciens ont observé pour la première fois la violation de CP au sein de quarks strange. Puis en 2001, ils l’ont vue se produire avec des particules contenant des quarks bottom (ou beauty). Les physiciens avaient longtemps supposé que c’était aussi le cas avec des particules contenant des quarks charm, mais personne n’a pu l’observer. D’ailleurs, ces deux découvertes ont conduit à des prix Nobel pour les chercheurs impliqués.

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Stone est l’un des chercheurs de l’expérience Beauty du LHC au CERN. Le LHC (Grand collisionneur de hadrons) est un anneau de 27 kilomètres situé à la frontière franco-suisse, qui permet d’envoyer des particules subatomiques dans son circuit afin de les faire collisionner, et ainsi créer les éclats d’énergie extrême qui ont suivi le Big Bang.

Lorsque les particules se rencontrent, elles se fragmentent en leurs parties constitutives, qui se décomposent ensuite (en quelques fractions de seconde) en particules plus stables.

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LHC accélérateur particules matière noire

L’ATLAS, au LHC (CERN). Il s’agit d’un dispositif instrumental toroïdal pour le LHC, qui utilise un électro-aimant toroïdal permettant au champ magnétique de se replier sur lui-même dans l’air. Crédits : CERN

Les dernières observations concernent des combinaisons de quarks appelés mésons, plus précisément le méson D0 (“d-zéro”) et le méson anti-D0. Le méson D0 est constitué d’un quark charm et d’un quark anti-up (l’antiparticule du quark up). Le méson anti-D0 est quant à lui une combinaison d’un quark anti-charm et d’un quark up.

Ces deux mésons se désintègrent de nombreuses manières, mais un petit pourcentage d’entre eux finissent par devenir des mésons appelés kaons ou pions. Les chercheurs ont mesuré la différence de taux de désintégration entre les mésons D0 et les mésons anti-D0, ce qui impliquait de prendre des mesures indirectes pour s’assurer qu’ils ne mesuraient pas simplement une différence dans la production initiale des deux mésons, ou des différences provenant de la qualité de leur équipement pour la détection des diverses particules subatomiques.

Les résultats montrent que les ratios de désintégration différaient d’un dixième de pour cent. « Cela signifie que le méson D0 et anti-D0 ne se détériorent pas au même rythme, et c’est ce que nous appelons la violation de CP », a déclaré Stone. Les chercheurs ont annoncé cette découverte dans le cadre d’une diffusion Web du CERN, et publié un document détaillant les résultats sur le serveur de pré-publication arXiv (entre autre).

Et cela rend les choses intéressantes. Les différences dans les désintégrations ne sont probablement pas assez importantes pour expliquer ce qui s’est passé après le Big Bang, pour ainsi amener à l’existence de tant de matière, explique Stone. Mais selon lui, ces différences sont par contre suffisamment grandes pour être surprenantes. « Maintenant, c’est au tour des physiciens théoriciens de faire parler ces données » ajoute-t-il.

Les physiciens s’appuient sur ce que l’on appelle le modèle standard pour expliquer l’ensemble de ces phénomènes à l’échelle subatomique. La question qui se pose maintenant est de savoir si les prédictions faites par le modèle standard peuvent expliquer la mesure du quark charm que l’équipe vient de faire, ou si elle nécessitera une sorte de “nouvelle physique” (ce qui selon Stone, serait le résultat le plus excitant).

« Si cela pouvait seulement être expliqué par une nouvelle physique, cette nouvelle physique pourrait contenir l’idée de l’origine de la violation de CP », a-t-il déclaré.

Pour en savoir plus concernant cette découverte, vous pouvez lire notre premier article sur le sujet (plus détaillé) : Une nouvelle saveur d’asymétrie matière–antimatière vient d’être découverte au CERN

Sources : Cern.ch, arXiv

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