Les expériences menées à la recherche d’une solution à l’un des mystères les plus complexes de la physique ont récemment livré leurs premiers résultats, fixant de nouvelles limites quant aux domaines dans lesquels nous devons chercher des preuves.
D’après notre compréhension actuelle de la physique, la matière ne devrait pas exister. Le fait qu’elle existe signifie qu’il y a quelque chose qui cloche dans nos équations, et les scientifiques se donnent beaucoup de mal pour déterminer ce que c’est exactement.
Quatre expériences majeures sont actuellement menées dans le monde entier, à la recherche de signes de particules à peine détectables subissant des changements ridiculement rares.
Pour comprendre pourquoi cela en vaut la peine, il faut revenir au début de tout : lorsque les particules subatomiques se sont refroidies à partir du rayonnement qui a constitué le premier clignement de l’Univers, elles ont pris l’une des deux formes suivantes : ce que nous décrivons aujourd’hui comme la matière et l’antimatière.
Le problème est que ces objets opposés s’annulent également dans un éclair d’énergie lorsqu’ils se rencontrent à nouveau. Si les deux types de particules sont créés l’un à côté de l’autre en quantités égales, les mathématiques simples disent qu’il ne devrait rien rester.
Si une pincée d’antimatière traîne encore dans les parages 13,8 milliards d’années après cette grande annihilation, la plupart des objets visibles sont constitués d’un seul type de particule : la matière. Il est clair que les comptes sont faits, très probablement quelque part entre la création des particules et leur annulation.
Un type de particule appelé neutrino offre une réponse potentielle à ce paradoxe.
Comme son nom l’indique, les neutrinos sont chargés de manière neutre. Cela, ajouté au fait qu’ils sont un million de fois plus légers qu’un électron, signifie qu’ils interagissent à peine avec d’autres particules.
Mais les propriétés étranges de ces “particules fantômes” signifient également qu’il est possible que les neutrinos soient en fait de la matière et de l’antimatière en une seule entité – une sorte de miroir d’eux-mêmes.
Si l’on peut démontrer que c’est vrai, une voie s’ouvre pour expliquer pourquoi notre Univers ne s’est pas immédiatement annulé.
L’une des façons de le découvrir est de vérifier la conservation d’un nombre quantique particulier lors de la désintégration de paires de neutrons dans certains isotopes. Les particules produites par cette désintégration devraient totaliser un équilibre des nombres de leptons : si un +1 sort, un -1 devrait également apparaître.
Dans les isotopes où une paire de neutrons se transforme en une paire de protons, on peut s’attendre à deux électrons et deux neutrinos. Étant donné que les neutrinos devraient avoir des nombres de leptons opposés à ceux des électrons, nous pouvons désigner cette variété comme antineutrinos.
Dans le cas improbable mais passionnant où nous ne verrions pas ces antineutrinos, la règle du nombre de leptons ne serait pas respectée. Cela nous donnerait une certaine marge de manœuvre pour explorer comment le comportement des neutrinos pourrait conduire à la prédominance d’un type de matière sur l’autre.
Tout cela est bien beau sur le papier, mais n’oubliez pas que les neutrinos n’arrivent pas exactement en agitant un drapeau rouge. C’est là que ces quatre expériences entrent en jeu.
L’Observatoire souterrain cryogénique pour les événements rares (CUORE) du laboratoire du Gran Sasso, en Italie, se base sur un simple flash dans l’un des 1 000 cristaux de dioxyde de tellure pour annoncer le moment d’une désintégration double-bêta sans neutrinos.
Pour toute molécule de dioxyde de tellure, on s’attend à ce que cela se produise une fois sur une période de 10 septillions d’années (1 suivi de 25 zéros). Même avec le nombre de molécules dans tous ces cristaux, ils s’attendent à ne voir que cinq désintégrations au cours des cinq prochaines années.
“C’est un processus très rare – s’il était observé, ce serait la chose la plus lente jamais mesurée”, a déclaré Lindley Winslow, membre du CUORE, à Jennifer Chu, au MIT News.
Par ailleurs, l’ensemble de l’expérience est maintenu à une température de 6 degrés Kelvin au-dessus du zéro absolu, ce qui en fait également le mètre cube d’espace le plus froid de tout l’Univers.
Une deuxième expérience au Gran Sasso utilise l’isotope germanium-76 à la place. Il y a moins de matière pour capter la désintégration, mais l’ensemble du dispositif s’avère extrêmement sensible, ce qui réduit le risque de manquer l’événement s’il se produit.
De l’autre côté de l’Atlantique, au Nouveau-Mexique, l’Observatoire du xénon enrichi (EXO-200) abrite une expérience à 600 mètres sous terre, basée sur les désintégrations potentielles de l’isotope xénon-136.
Toujours aux États-Unis, au Sanford Underground Research Facility, une collaboration travaille sur une expérience appelée MAJORANA Demonstrator. Cette fois, il s’agit d’un morceau de germanium-76 enfoui sous 1,6 kilomètre de roche, dans une ancienne mine.
L’équipe a récemment partagé sa propre analyse de l’installation et a montré que toute la roche environnante fait un excellent travail pour protéger les détecteurs contre les fragments de rayonnement parasites qui pourraient déclencher de fausses alarmes.
Jusqu’à présent, les résultats de ces expériences ont permis de réduire le nombre d’endroits où l’on peut rechercher cette anomalie qui enfreint les règles. C’est utile, mais ce n’est pas vraiment la réponse que nous cherchons.
Mais là encore, c’est l’existence de l’Univers tel que nous le connaissons qui est en jeu. Croisons donc les doigts pour qu’ils voient quelque chose d’étrange dans les prochaines années.
Les recherches ont été publiées dans Physical Review Letters ici, ici, ici et ici.