La flèche du temps : Pas de retour vers le futur pour les particules

Nous avons tous ri en voyant des films projetés en marche arrière: les vases brisés se recollent miraculeusement et les coureurs reculent à pleine vitesse vers leurs blocs de départ. Dans notre monde quotidien de tels phénomènes sont impossibles -- la flèche du temps pointe toujours dans le même sens, vers le futur. Mais jusqu'à présent les lois de la physique fondamentale semblaient réversibles: un film montrant le comportement des particules élémentaires ne peut se distinguer de ce même film projeté en marche arrière. Une particule fonce aussi aisément à reculons qu'en marche avant. Mais voilà que les physiciens de l'expérience CPLEAR1 au CERN2 viennent pour la première fois d'effectuer des mesures sur des particules appelées kaons qui montrent que le temps s'écoule différemment vers l'avant et vers l'arrière.

La raison pour laquelle le futur et le passé sont tellement différents dans notre vie de tous les jours vient de ce que l'Univers a commencé lors du big-bang dans un état homogène et ordonné. Cependant, en se dilatant, il est devenu plus irrégulier et désorganisé. Les états organisés sont rares, contrairement aux très nombreux états désordonnés. Prenons les morceaux du vase brisé: il y a une façon mais une seule de réunir et d'agencer les fragments pour reformer le vase, alors qu'il existe de très nombreuses façons d'en éparpiller les morceaux. C'est vers l'un de ces états désordonnés que sera normalement précipité un vase jeté au sol. De même, l'Univers a débuté dans un état organisé et il évolue vers un quelconque état désordonné, simplement parce que les états désordonnés sont beaucoup plus nombreux. C'est l'origine de la flèche du temps à grande échelle.

Pourtant, les lois de la physique découvertes par Galilée, Newton et Einstein sont symétriques vis-à-vis du renversement du temps: elles ne différencient pas le passé du futur. Cet acquis doit être remis en cause dans le monde microscopique de la physique subatomique. Ici, la physique quantique nous amène à considérer aussi les antiparticules; or des expériences antérieures en laboratoire nous ont enseigné que particules et antiparticules ne se comportent pas toujours de la même façon, ce qui a conduit les physiciens à penser qu'il faudrait modifier les équations du monde subatomique si le temps était renversé. Pour vérifier cette hypothèse, la collaboration CPLEAR au CERN a provoqué des collisions d'antiprotons avec des atomes d'hydrogène pour produire des kaons et des antikaons, leur contrepartie d'antimatière. En se déplaçant, les antikaons peuvent se transformer en kaons et vice-versa. L'équipe a utilisé un grand détecteur pour compter les désintégrations des kaons (des antikaons) en un électron (positon), un pion et un neutrino. Le signe de la charge de l'électron (positon) révèle s'il s'agit de la désintégration d'un antikaon ou d'un kaon. Dans un article publié le 7 octobre 1998, et qui paraîtra dans un prochain numéro de Physics Letters B, l'équipe CPLEAR montre que les transformations des antikaons en kaons sont plus fréquentes que celle des kaons en antikaons -- le processus inverse par renversement du temps. Pour la première fois dans l'histoire de la physique, l'expérience CPLEAR a observé la flèche du temps à l'échelle microscopique.

Cette expérience jette une lumière nouvelle et plus pénétrante sur les symétries fondamentales de la physique et les conditions dans lesquelles elles ne sont pas respectées. Les physiciens savent que la symétrie par renversement du temps doit faire partie d'un ensemble plus fondamental appelé symétrie CPT (pour charge, parité et renversement du temps) qui est au coeur même de la physique moderne. Echangeons matière et antimatière, regardons l'Univers dans un miroir et inversons le sens du temps et toutes les expériences donneront le même résultat que dans le monde réel. La symétrie combinée CPT a été vérifiée dans de nombreuses expériences, la plus précise étant CPLEAR. Cependant, en 1964, des physiciens ont découvert que la symétrie combinée charge-parité (CP) n'est pas absolument respectée. Si CPT est bien une symétrie rigoureuse, la symétrie T par d'inversion du temps doit donc être violée elle aussi, et cela d'une manière qui compense l'asymétrie CP.

La prouesse de CPLEAR est d'avoir mesuré une petite asymétrie dans l'écoulement du temps à un niveau qui compense l'asymétrie CP observée il y a trois décennies. Après les rapports préliminaires de l'équipe CPLEAR lors de plusieurs grandes conférences depuis 1995 et après la récente publication d'un article par cette même équipe, la collaboration KTeV au Laboratoire Fermi des Etats-Unis vient de confirmer la violation de T en annonçant le 12 octobre 1998 des résultats préliminaires obtenus par une technique différente.

La nouvelle mesure de CPLEAR confirme ce que les physiciens avaient longtemps soupçonné, à savoir que les kaons violent la symétrie T, comme prévu si la symétrie CPT est respectée. La violation des symétries T et CP explique peut-être pourquoi la matière domine sur l'antimatière dans notre Univers actuel. Plusieurs expériences dans divers laboratoires dans le monde étudient ce problème de physique qui sera aussi le principal sujet d'étude de l'une des expériences au futur accélérateur LHC du CERN.

Note(s)

1. CP LEAR est une collaboration internationale comprenant des universités et instituts de 9 pays: France, Grande-Bretagne, Grèce, Pays-Bas, Portugal, Slovénie, Suède, Suisse et Etats-Unis d'Amérique.

2. Le CERN, Laboratoire européen pour la physique des particules, a son siège à Genève. Ses Etats membres sont les suivants: Allemagne, Autriche, Belgique, Danemark, Espagne, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Italie, Norvège, Pays-Bas, Pologne, Portugal, la République slovaque, la République tchèque, Royaume-Uni, Suède et Suisse. La Fédération de Russie, les Etats-Unis, Israël, le Japon, la Turquie, la Commission des Communautés européennes et l'UNESCO ont le statut d'observateur.

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