Une récente étude concernant l’antimatière révèle des indices sur les débuts de l’Univers

Le modèle cosmologique standard prédit qu’à l’issue du Big Bang, matière et antimatière ont été produites en quantités identiques. Mais aujourd’hui, c’est un univers constitué de matière que nous observons. Cela suggère donc que dans l’Univers primitif, un mécanisme encore inconnu a permis à la matière de surpasser l’antimatière. Récemment, des physiciens japonais de l’expérience T2K ont publié des résultats confortant l’une des deux hypothèses principales tentant de répondre à la question de l’asymétrie matière-antimatière. Cependant, ils ne se suffisent pas à eux seuls pour statuer définitivement sur l’origine de cette asymétrie.

La plupart des théories sur la façon dont la matière a pris le dessus sur l’antimatière se répartissent en deux camps principaux. L’une, appelée baryogenèse électrofaible, propose des versions supplémentaires du boson de Higgs. Si ces cousins ​​de Higgs existent, ils auraient pu aider à déclencher une transition de phase abrupte, semblable au changement lorsque l’eau passe du liquide au gaz, au début de l’Univers, qui aurait pu conduire à un peu plus de matière que d’antimatière.

L’autre théorie dominante, appelée leptogenèse, découle plutôt des neutrinos. Ces particules sont beaucoup, beaucoup plus légères que les quarks et n’interagissent pratiquement pas avec la matière environnante. Selon ce scénario, en plus des neutrinos réguliers que nous connaissons, il existerait des neutrinos extrêmement lourds qui auraient pu être forgés uniquement à partir des énormes quantités d’énergie et températures présentes juste après le Big Bang. Lorsque ces particules se sont inévitablement désintégrées en espèces plus petites et plus stables, elles auraient pu produire un peu plus de matière que les sous-produits de l’antimatière, conduisant à un surplus de matière.

Neutrinos : ils violeraient bien la symétrie CP

La récente annonce, faite par des physiciens de l’expérience T2K au Japon, suggère que les données seraient en faveur de la leptogenèse. L’expérience observe les neutrinos lorsqu’ils voyagent à 300 kilomètres sous terre et évoluent entre trois types, ou saveurs — une capacité particulière des neutrinos appelée oscillation. Les chercheurs du T2K ont détecté plus d’oscillations dans les neutrinos que dans les antineutrinos, suggérant que les deux n’agissent pas seulement comme des images miroir l’un de l’autre mais, en fait, se comportent différemment.

Une telle différence entre une particule et son homologue d’antimatière est appelée violation de la symétrie CP, et c’est un indice fort dans la quête pour comprendre comment la matière a surpassé l’antimatière. « Nous n’appelons pas cela encore une découverte », précise Chang Kee Jung, membre de l’équipe T2K. L’expérience a exclu la possibilité que les neutrinos ne violent pas la symétrie CP avec une confiance de 95%, et elle montre des indices que les particules pourraient afficher la quantité maximale possible de violation CP autorisée.

Pourtant, davantage de données, et probablement de futures expériences, seront nécessaires pour mesurer précisément à quel point les neutrinos et les antineutrinos diffèrent. Même si les physiciens confirment définitivement la violation CP des neutrinos, ils n’auront pas complètement résolu la question de l’asymétrie matière-antimatière. Une telle découverte serait « nécessaire mais pas suffisante » pour prouver la leptogenèse, explique Seyda Ipek, physicienne théoricienne à l’Université de Californie.

Neutrinos : des particules de Majorana ?

Une autre exigence de la théorie est que les neutrinos et les antineutrinos se révèlent être les mêmes particules. On pense que la matière et l’antimatière sont identiques à l’exception d’une charge électrique inversée. Les neutrinos pourraient donc être leur propre antiparticule ; une propriété appelée fermion de Majorana.

Si c’est le cas, cette propriété pourrait également expliquer pourquoi les neutrinos sont si légers. Si les neutrinos et les antineutrinos sont identiques, ils pourraient gagner en masse non pas en interagissant avec le champ de Higgs, comme le font la plupart des particules, mais via un autre processus appelé mécanisme à bascule (see-saw). Leurs masses seraient inversement proportionnelles à celles des neutrinos lourds qui ont émergé dans l’Univers primitif. « Quand l’une est en position haute, l’autre est en position basse, comme une balançoire », indique Ipek.

« La leptogenèse est une manière très élégante d’expliquer les choses. Premièrement, vous répondez au pourquoi il y a plus de matière que d’antimatière. Et deuxièmement, vous expliquez pourquoi les neutrinos ont de si petites masses. Cependant, si vous mesurez la violation CP la plus élevée que nous puissions voir, et si vous observiez que les neutrinos étaient leurs propres antiparticules, nous dirions que c’est une preuve circonstancielle, pas une preuve directe », explique Jessica Turner, physicienne théoricienne au Fermilab.

Baryogenèse électrofaible et bosons de Higgs supplémentaires

Selon les physiciens, l’autre option théorique, la baryogenèse électrofaible, pourrait être plus facile à étudier. Alors que la création de neutrinos lourds impliqués dans la leptogenèse dépasserait très probablement les capacités des accélérateurs de particules actuels, les bosons de Higgs supplémentaires prévus par cette théorie pourraient bien apparaître au LHC, explique Marcela Carena, chef du département de physique théorique du Fermilab.

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Même si le LHC ne les crée pas directement, ces parents Higgs pourraient interagir subtilement mais de manière détectable avec les bosons Higgs traditionnels qu’il produit. La baryogenèse électrofaible nécessite également une violation supplémentaire de la symétrie CP dans l’Univers, mais pas spécifiquement dans les neutrinos. En fait, une violation CP a déjà été découverte dans les quarks, mais si faible qu’elle n’explique pas le déséquilibre matière-antimatière.

Une violation CP cachée dans le secteur sombre ?

Une violation CP suffisamment élevée pourrait se cacher dans le secteur sombre — le domaine de la matière noire. Peut-être que la matière noire et l’antimatière noire se comportent différemment, et cette différence peut expliquer notre Univers tel que nous le connaissons.  Les preuves d’une baryogenèse électrofaibles pourraient provenir non seulement de la détection de particules de Higgs supplémentaires, mais également des nombreuses expériences de recherche de matière noire et du secteur sombre.

De plus, si une transition de phase cosmologique s’est produite peu de temps après le Big Bang, comme la théorie le suppose, elle pourrait avoir produit des ondes gravitationnelles qui pourraient être détectées par de futures expériences, telles que l’antenne spatiale de l’interféromètre laser (LISA), un détecteur spatial d’ondes gravitationnelles dont le lancement est prévu pour 2030.

Les autres pistes concernant l’asymétrie matière-antimatière

Peut-être que ni leptogenèse ni baryogenèse électrofaibles ne se sont produites. « Ce ne sont pas les deux seules options – le domaine de la théorie est très vaste », explique Ipek. Elle a récemment travaillé sur un modèle impliquant une violation CP dans l’interaction forte des quarks à l’intérieur des protons et des neutrons, et les théoriciens étudient également de nombreuses autres idées. « Je pense que nous devons nous laisser explorer toutes les possibilités », déclare Turner.

Dans l’intervalle, une mesure définitive de la violation CP dans les neutrinos est planifiée. Les projets à venir tels que le Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) et le successeur du T2K, l’Hyper-Kamiokande (Hyper-K), devraient avoir la sensibilité requise pour une mesure précise.

Sources : Nature