Le CERN a découvert un autre indice sur le mystère de l'antimatière disparue dans l'Univers

C'est l'un des plus grands mystères de la physique. Toutes les particules qui composent la matière qui nous entoure - électrons et protons - ont des versions d'antimatière presque identiques, mais avec des propriétés spéculaires, telles que la charge électrique opposée.

Lorsque l'antimatière et une particule de matière se rencontrent, elles s'annihilent dans un sursaut d'énergie.

Si l'antimatière et la matière sont effectivement identiques mais sont des images en miroir l'une de l'autre, elles auraient dû être produites en quantités égales pendant le Big Bang. Le problème est que cela détruirait tout. Mais aujourd'hui, il n'y a presque plus d'antimatière dans l'Univers - elle n'apparaît que dans certaines désintégrations radioactives et dans une petite partie des rayons cosmiques.

Alors que lui est-il arrivé? En utilisant l'expérience LHCb au CERN pour étudier la différence entre la matière et l'antimatière, nous avons découvert une nouvelle façon de faire cette différence.

L'existence de l'antimatière a été prédite par l'équation du physicien Paul Dirac décrivant le mouvement des électrons en 1928. Il n'était pas clair au début s'il s'agissait simplement d'une bizarrerie mathématique ou d'une description d'une particule réelle.

Mais en 1932, Karl Anderson a découvert l'antimatière, le partenaire de l'électron, le positron, dans l'étude des rayons cosmiques tombant sur Terre depuis l'espace. Au cours des décennies suivantes, les physiciens ont découvert que toutes les particules de matière avaient des partenaires antimatière.

Les scientifiques pensent que dans un état très chaud et dense, peu de temps après le Big Bang, des processus dans lesquels la matière a préféré l'antimatière auraient dû se produire. Cela a créé un léger excès de matière, et lorsque l'univers s'est refroidi, toute l'antimatière a été détruite ou annihilée par une quantité égale de matière, laissant un minuscule excès de matière.

Et c'est cet excès qui compose tout ce que nous voyons dans l'univers aujourd'hui.

On ne sait pas exactement quels processus ont conduit à l'excédent, et les physiciens surveillent cela de près depuis des décennies.

Le comportement des quarks, qui sont les éléments fondamentaux de la matière avec les leptons, peut faire la lumière sur la différence entre la matière et l'antimatière. Les quarks sont de différents types ou "saveurs" connus sous les noms de haut, bas, charmant, étrange, diligent et vrai, plus six antiquarks correspondants.

Les quarks haut et bas sont ce qui compose les protons et les neutrons dans les noyaux de la matière ordinaire, et d'autres quarks peuvent être formés par des processus à haute énergie - par exemple, lorsque des particules entrent en collision dans des accélérateurs tels que le grand collisionneur de hadrons du CERN.

Les particules constituées d'un quark et d'un antiquark sont appelées mésons, et il existe quatre mésons neutres (B0S, B0, D0 et K0) qui présentent un comportement excitant. Ils peuvent se transformer spontanément en leur partenaire antiparticule, puis revenir - un phénomène qui a été observé pour la première fois en 1960.

Parce qu'elles sont instables, elles vont «se désintégrer» - se désintégrer - en d'autres particules plus stables à un moment donné de leur oscillation. Cette désintégration pour les mésons se produit quelque peu différemment que pour les antimésons, ce qui, combiné à une oscillation, signifie que le taux de désintégration change avec le temps.

Les règles des vibrations et des désintégrations sont données par un cadre théorique appelé mécanisme de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM). Il prédit qu'il y a une différence dans le comportement de la matière et de l'antimatière, mais elle est trop petite pour générer l'excès de matière dans l'univers primitif nécessaire pour expliquer l'abondance que nous voyons aujourd'hui.

Cela indique qu'il y a quelque chose que nous ne comprenons pas et que l'étude de ce sujet peut remettre en question certaines de nos théories les plus fondamentales en physique.

Nouvelle physique?

Notre récent résultat de l'expérience LHCb est l'étude des mésons B0S neutres, l'étude de leurs désintégrations en paires de mésons K chargés. Les mésons B0S ont été créés en heurtant des protons avec d'autres protons au Grand collisionneur de hadrons, où ils ont oscillé dans leur anti-saison et ont rebondi trois mille milliards de fois par seconde. Les collisions ont également créé des mésons anti-B0S qui oscillent de la même manière, nous donnant des échantillons de mésons et d'antimésons que nous pourrions comparer.

Nous avons compté le nombre de désintégrations dans les deux échantillons et comparé les deux nombres pour voir comment cette différence changeait à mesure que les fluctuations se développaient. Il y avait une légère différence - plus de désintégrations se sont produites pour l'un des mésons B0S. Et pour la première fois pour les mésons B0S, nous avons remarqué que la différence de désintégration ou d'asymétrie change en fonction des vibrations entre le méson B0S et l'antiméon.

En plus d'être une étape importante dans l'étude de la différence entre la matière et l'antimatière, nous avons également pu mesurer la taille des asymétries. Cela peut se traduire par des mesures de plusieurs paramètres de la théorie sous-jacente.

La comparaison des résultats avec d'autres mesures permet de vérifier si la théorie actuellement acceptée est une description correcte de la nature. Puisque la légère préférence pour la matière par rapport à l'antimatière que nous observons à l'échelle microscopique ne peut pas expliquer l'abondance écrasante de matière que nous observons dans l'univers, il est probable que notre compréhension actuelle soit une approximation d'une théorie plus fondamentale.

L'étude de ce mécanisme, dont nous savons qu'il peut générer une asymétrie de la matière et de l'antimatière en l'examinant sous différents angles, peut nous dire quel est le problème. Explorer le monde à la plus petite échelle est notre meilleure chance de comprendre ce que nous voyons à la plus grande échelle.

Lars Eklund, professeur de physique des particules, Université de Glasgow.

Réimprimé de The Conversation.