Si le modèle standard de la physique est capable d’expliquer correctement l’Univers et tout ce qu’il contient, le mystère de l’asymétrie matière-antimatière est l’une des plus grandes. de nombreuses questions sans réponse qui s’opposent au modèle standard de la physique
Les quantités égales de matière et d’antimatière produites par le Big Bang auraient dû s’annuler mutuellement, donnant lieu à un Univers contenant à peine quelques particules, et pourtant, nous sommes là. Aujourd’hui, les nouveaux résultats obtenus par le détecteur du Grand collisionneur de hadrons du CERN pourraient être notre meilleure chance d’expliquer le paradoxe de notre propre existence.
Pour expliquer le problème de l’Univers asymétrique, les lois de la physique prévoient que pour chaque particule de matière ordinaire, il existe une antiparticule égale mais opposée.
Cela signifie que pour chaque électron chargé négativement, il y a un positron chargé positivement. Pour chaque atome d’hydrogène normal, il y a un atome d’anti-hydrogène.
Si une antiparticule rencontre une particule ordinaire, elles s’annihilent mutuellement, libérant de l’énergie sous forme de lumière.
Le problème se pose lorsque l’on considère que le modèle standard de la physique prévoit que le Big Bang aurait produit des quantités égales de particules baryoniques sous forme de matière et d’antimatière – appelées matière baryonique et matière antibaryonique.
Les baryons sont un type crucial de particules subatomiques, car vous savez, ces protons et neutrons qui constituent la majeure partie de la masse de la matière visible dans l’Univers ? Ce sont des baryons.
Le fait que nous nous soyons retrouvés avec tellement plus de matière baryonique que de matière antibaryonique dans l’Univers est un problème, car les quantités égales produites par le Big Bang auraient dû instantanément annuler presque tout, ce qui aurait donné un Univers avec presque aucune particule – seulement du rayonnement.
Le modèle standard tient compte d’une petite quantité d’asymétrie dans les particules baryoniques, mais il ne peut certainement pas expliquer la surabondance de matière baryonique que nous observons aujourd’hui.
Alors comment toute cette matière a-t-elle survécu ?
La violation de la symétrie dans l’Univers implique que les lois de la physique ne sont pas les mêmes pour les particules de matière et d’antimatière, et les physiciens ont essayé de comprendre où ces lois pourraient diverger – un phénomène connu sous le nom de violation de la parité de charge (CP).
Des recherches antérieures ont mis en évidence la violation de la PC dans les mésons, qui font partie de la famille des particules hadroniques, mais pour pouvoir prédire la quantité de matière dans l’Univers tel qu’il existe aujourd’hui, nous devons également la trouver dans les baryons.
Depuis plus d’un demi-siècle, les scientifiques cherchent des preuves de la violation de CP dans les baryons. Aujourd’hui, des chercheurs travaillant avec l’un des détecteurs du Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN, en Suisse, semblent en avoir enfin trouvé.
À l’aide du détecteur LHCb, l’équipe a produit d’énormes quantités d’un type spécifique de baryon (le baryon Λb0) et de sa version antiparticulaire (Λb0-bar), et a observé comment chacun se décomposait en un proton (ou un antiproton) et en trois particules chargées appelées pions lorsqu’ils étaient écrasés ensemble.
“Ce processus est extrêmement rare, et n’a jamais été observé auparavant”, explique l’équipe.
“Le taux de production élevé de ces baryons au LHC, et les capacités spécialisées du détecteur LHCb, ont permis à la collaboration de collecter un échantillon pur d’environ 6 000 de ces désintégrations.”
Le fait que ces particules se désintègrent en composants séparés est important, car toute différence significative – ou asymétrie – entre les quantités pour les baryons de matière et d’antimatière serait le résultat d’une violation de CP.
Et c’est exactement ce que les chercheurs ont trouvé.
“Les données du LHCb ont révélé un niveau significatif d’asymétries dans les quantités sensibles à la violation de CP pour les désintégrations des baryons Λb0 et Λb0-bar, avec des différences pouvant atteindre 20 % dans certains cas”, rapporte l’équipe.
C’est passionnant, et nous pourrions être sur le point de résoudre l’un des plus importants mystères de la physique moderne… mais nous n’en sommes pas encore là.
Selon le CERN, la signification statistique – la façon dont les physiciens mesurent la probabilité que le résultat ne soit pas le fruit du hasard – se situe au niveau de 3,3 écarts-types, et on ne peut vraiment parler de découverte que lorsque cette valeur atteint 5 écarts-types.
Étant donné que le LHCb a réussi jusqu’à présent à produire ces réactions baryoniques, ce n’est probablement qu’une question de temps avant que les résultats ne soient confirmés ou infirmés.
Et, comme l’explique Chris Lee pour Ars Technica, il y a des raisons d’espérer que le chiffre magique de 5 soit atteint :
“Les résultats de la physique des particules sont tirés, à grand renfort de coups et de cris, hors du bruit par une analyse statistique minutieuse ; aucune découverte n’est complète tant que la probabilité qu’il s’agisse d’un coup de chance n’est pas inférieure à une sur un million. Ce résultat n’en est pas encore là (il se situe à peu près au niveau d’une chance sur mille).
Il est donc prometteur et, au rythme où le LHC produit des données, l’asymétrie sera rapidement renforcée ou disparaîtra complètement. Cependant, étant donné que le résultat pour les mésons est bel et bien confirmé, il serait vraiment étrange que ce résultat se révèle faux.”
Tout ce que nous pouvons dire, c’est de surveiller cet espace, car les chercheurs analysent en ce moment même un nouvel ensemble de données plus important collecté par le LHC. Espérons que nous n’aurons pas à attendre trop longtemps pour voir ce qu’ils trouvent.
L’étude a été publiée dans Nature Physics.