Pourquoi existons-nous? C'est peut-être la question la plus profonde qui peut sembler complètement hors du champ de la physique des particules. Mais notre nouvelle expérience au Grand collisionneur de hadrons au CERN nous a rapprochés de la réponse. Pour comprendre pourquoi nous existons, il faut d'abord partir il y a 13,8 milliards d'années, à l'époque du Big Bang. Cet événement a produit une quantité égale de la substance dont nous sommes faits et d'antimatière.
On pense que chaque particule a un partenaire antimatière, qui lui est presque identique, mais a la charge opposée. Lorsqu'une particule et son antiparticule se rencontrent, elles s'annihilent - disparaissent dans un éclair de lumière.
Où est toute l'antimatière?
Pourquoi l'univers que nous voyons est entièrement composé de matière est l'un des plus grands mystères de la physique moderne. S'il y avait une fois une quantité égale d'antimatière, tout dans l'univers s'annihilerait. Ainsi, une étude récemment publiée semble avoir trouvé une nouvelle source d'asymétrie entre la matière et l'antimatière.
Arthur Schuster fut le premier à parler d'antimatière en 1896, puis en 1928 Paul Dirac lui donna une base théorique et en 1932 Karl Anderson la découvrit sous la forme d'anti-électrons, appelés positrons. Les positrons sont nés de processus radioactifs naturels, tels que la désintégration du potassium-40. Cela signifie qu'une banane ordinaire (contenant du potassium) émet un positron toutes les 75 minutes. Il s'annihile ensuite avec des électrons dans la matière, produisant de la lumière. Les applications médicales telles que les scanners PET produisent également de l'antimatière dans un processus similaire.
Les principaux éléments constitutifs de la substance dont les atomes sont composés sont les particules élémentaires - quarks et leptons. Il existe six types de quarks: haut, bas, étrange, charmé, vrai et beau. De même, il existe six leptons: l'électron, le muon, le tau et trois types de neutrinos. Il existe également des copies anti-matériaux de ces douze particules, qui ne diffèrent que par leur charge.
Les particules d'antimatière, en principe, devraient être l'image miroir parfaite de leurs satellites normaux. Mais les expériences montrent que ce n'est pas toujours le cas. Prenons, par exemple, des particules appelées mésons, qui sont constituées d'un quark et d'un antiquark. Les mésons neutres ont une caractéristique étonnante: ils peuvent se transformer spontanément en leur antiméson et vice versa. Dans ce processus, un quark se transforme en antiquark ou un antiquark se transforme en quark. Cependant, des expériences ont montré que cela peut se produire plus souvent dans une direction que dans une autre - ce qui fait qu'il y a plus de matière au fil du temps que d'antimatière.
Vidéo promotionelle:
La troisième fois est magique
Parmi les particules contenant des quarks, de telles asymétries n'ont été trouvées que dans des quarks étranges et beaux - et ces découvertes sont devenues extrêmement importantes. La toute première observation d'une asymétrie impliquant des particules étranges en 1964 a permis aux théoriciens de prédire l'existence de six quarks - à une époque où seuls trois étaient connus pour exister. La découverte de l'asymétrie dans les belles particules en 2001 a été la confirmation finale du mécanisme qui a conduit à l'image des six quarks. Les deux découvertes lui ont valu des prix Nobel.
Les quarks étranges et beaux portent des charges électriques négatives. Le seul quark chargé positivement qui, en théorie, devrait être capable de former des particules pouvant présenter une asymétrie de matière et d'antimatière est le charmé. La théorie suggère qu'il fait cela, son effet devrait être insignifiant et difficile à trouver.
Mais l'expérience LHCb au Grand collisionneur de hadrons a pu observer une telle asymétrie dans des particules appelées mésons D, qui sont composées de quarks charmés - pour la première fois. Ceci est rendu possible par la quantité sans précédent de particules charmées produites directement lors de collisions au LHC. Le résultat montre que la probabilité qu'il s'agisse d'une fluctuation statistique est de 50 par milliard.
Si cette asymétrie n'est pas née du même mécanisme qui conduit aux asymétries des quarks étranges et beaux, il y a place pour de nouvelles sources d'asymétrie matière-antimatière, qui peuvent ajouter à l'asymétrie générale de ceux de l'Univers. Et cela est important, car plusieurs cas connus d'asymétrie ne peuvent expliquer pourquoi il y a tant de matière dans l'univers. La découverte du quark de charme à elle seule ne suffira pas à résoudre ce problème, mais c'est une pièce importante du puzzle pour comprendre les interactions fondamentales des particules.
Prochaines étapes
Cette découverte sera suivie d'une augmentation du nombre de travaux théoriques qui aident à l'interprétation du résultat. Mais plus important encore, elle décrira d'autres tests pour approfondir notre compréhension de notre découverte - et certains de ces tests sont déjà en cours.
Au cours de la prochaine décennie, l'expérience LHCb améliorée augmentera la sensibilité de ces mesures. Il sera complété par l'expérience Belle II au Japon, qui ne fait que commencer.
L'antimatière est également au cœur d'un certain nombre d'autres expériences. Des antiatomes entiers sont produits par le modérateur d'antiprotons du CERN, et ils fournissent une gamme d'expériences de mesure très précises. L'expérience AMS-2 à bord de la Station spatiale internationale est à la recherche d'antimatière dérivée de l'espace. Un certain nombre d'expériences actuelles et futures seront consacrées à la question de savoir s'il existe une asymétrie matière-antimatière parmi les neutrinos.
Bien que nous ne puissions toujours pas percer complètement le mystère de l'asymétrie de la matière et de l'antimatière, notre dernière découverte a ouvert la porte à une ère de mesures précises qui peuvent révéler des phénomènes encore inconnus. Il y a toutes les raisons de croire qu'un jour les physiciens pourront expliquer pourquoi nous sommes ici.
Ilya Khel
