L’asymétrie entre matière et antimatière

Le Big Bang devrait avoir créé matière et antimatière en quantités égales dans l’Univers primordial. Pourtant, aujourd’hui, tout ce que nous percevons, depuis la plus petite forme de vie sur la Terre jusqu’aux astres les plus massifs, est constitué presque intégralement de matière. Comparativement, il n’y a pas beaucoup d’antimatière à observer. Quelque chose a dû faire pencher la balance. L’un des plus grands défis de la physique est de déterminer ce qui est arrivé à l’antimatière, ou, en d’autres termes, pourquoi il existe une asymétrie entre matière et antimatière.

Les particules d’antimatière ont la même masse que leurs homologues de matière, mais portent une charge opposée. Ainsi, le positon, chargé positivement, est l’antiparticule de l’électron, chargé négativement. Les particules de matière et d'antimatière sont toujours produites sous forme de paire, et, lorsqu'elles entrent en contact, elles s'annihilent mutuellement, ne laissant derrière elles que de l’énergie pure. Pendant les premières fractions de seconde après le Big Bang, l’Univers dense et chaud était en effervescence : des paires particule-antiparticule ne cessaient d'apparaître et de disparaître.

Si la matière et l’antimatière ont été créées et détruites ensemble, il semble que l'Univers ne devrait contenir rien d'autre que de l'énergie résiduelle. Néanmoins, une minuscule partie de la matière - environ une particule sur un milliard – a réussi à survivre. C’est cette matière que nous observons aujourd’hui. Au cours des dernières décennies, les physiciens ont appris, grâce aux expériences de physique des particules, que les lois de la nature ne s’appliquent pas également à la matière et à l’antimatière. Ils aimeraient bien savoir pourquoi.

Les chercheurs ont observé que des particules se transforment spontanément en leur antiparticule (on dit qu’elles oscillent) plusieurs millions de fois par seconde avant de se désintégrer. Un élément inconnu intervenant dans ce processus dans l’Univers primordial pourrait avoir fait que ces particules en oscillation se soient désintégrées plus souvent sous forme de matière que sous forme d'antimatière.

Faisons tourner comme une toupie une pièce de monnaie sur une table. La pièce a la possibilité de retomber côté face ou côté pile, mais on ne peut déterminer la face qui sera apparente à la fin jusqu'à ce qu’elle soit effectivement retombée. La probabilité que la pièce retombe côté pile, ou côté face, est de 50 %. Donc, si l’on fait tourner suffisamment de pièces exactement de la même façon, la moitié retomberont côté pile et la moitié côté face. De la même façon, la moitié des particules en oscillation dans l’Univers primordial devraient s’être désintégrées sous forme de matière, et l'autre moitié sous forme d'antimatière.

Mais imaginons que l’on fasse rouler sur la table une bille spéciale capable de faire retomber toutes les pièces côté face ; le système sera alors perturbé. Il y aura plus de côtés face que de côtés pile. De la même façon, les physiciens pensent qu'un mécanisme inconnu a interféré avec les particules en oscillation de façon à amener une légère majorité d’entre elles à se désintégrer sous forme de matière.

Pour trouver des indications sur ce que pourrait avoir été ce processus, les physiciens vont étudier les subtiles différences de comportement entre les particules de matière et d’antimatière créées dans les collisions proton-proton de haute énergie au LHC. Cette étude leur permettra de mieux comprendre pourquoi notre Univers est rempli de matière.

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