Quand on regarde l'Univers, toutes ses planètes et étoiles, ses galaxies et amas, gaz, poussières, plasma, on voit les mêmes signatures partout. Nous voyons des lignes d'absorption et d'émission atomiques, nous voyons que la matière interagit avec d'autres formes de matière, nous voyons la formation d'étoiles et la mort des étoiles, des collisions, des rayons X et bien plus encore. Il y a une question évidente qui nécessite une explication: pourquoi voyons-nous tout cela? Si les lois de la physique dictent la symétrie entre la matière et l'antimatière, l'univers que nous observons ne devrait pas exister.
Mais nous sommes ici et personne ne sait pourquoi.
Pourquoi n'y a-t-il pas d'antimatière dans l'Univers?
Pensez à ces deux faits apparemment contradictoires:
- chaque fois que nous créons un quark ou un lepton, nous créons également un antiquark et un antilepton;
- chaque fois qu'un quark ou un lepton est détruit, un antiquark ou un antilepton est également détruit;
- les leptons et les antileptons créés ou détruits doivent être en équilibre dans toute la famille des Summerpon, et chaque fois qu'un quark ou un lepton interagit, heurte ou se désintègre, le nombre total de quarks et de leptons à la fin de la réaction (quarks moins antiquarks, leptons moins antileptons) devrait et sera le même qu'au début.
La seule façon de changer la quantité de matière dans l'univers était également de changer la quantité d'antimatière de la même quantité.
Et pourtant, il y a un deuxième fait.
Mais nous ne voyons aucun signe de destruction de la matière par l'antimatière à plus grande échelle. Nous ne voyons aucun signe que certaines des étoiles, galaxies ou planètes que nous observons sont constituées d'antimatière. Nous ne voyons pas les rayons gamma caractéristiques que l'on s'attendrait à voir si l'antimatière entrait en collision avec la matière et s'annihilait. Au lieu de cela, nous ne voyons de la matière que partout où nous regardons.
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Et cela semble impossible. D'une part, il n'existe aucun moyen connu de fabriquer plus de matière que d'antimatière en regardant les particules et leurs interactions dans l'univers. D'un autre côté, tout ce que nous voyons est définitivement fait de matière, pas d'antimatière.
En fait, nous avons observé l'annihilation de la matière et de l'antimatière dans certaines conditions astrophysiques extrêmes, mais seulement à proximité de sources hyperénergétiques qui produisent de la matière et de l'antimatière en quantités égales - des trous noirs, par exemple. Lorsque l'antimatière entre en collision avec la matière dans l'univers, elle produit des rayons gamma de fréquences très spécifiques, que nous pouvons alors détecter. Le milieu intergalactique interstellaire est plein de matière, et l'absence totale de ces rayons gamma est un signal fort qu'il n'y aura jamais beaucoup plus de particules d'antimatière, car la signature de la matière d'antimatière serait alors découverte.
Si vous jetez une particule d'antimatière dans notre galaxie, elle durera environ 300 ans avant d'être détruite par une particule de matière. Cette limitation nous dit que la quantité d'antimatière dans la Voie lactée ne peut pas dépasser 1 particule par quadrillion (1015), par rapport à la quantité totale de matière.
À grande échelle - à l'échelle des galaxies satellites, des grandes galaxies de la taille de la Voie lactée, et même des amas de galaxies - les contraintes sont moins strictes, mais toujours très fortes. En observant des distances allant de quelques millions d'années-lumière à trois milliards d'années-lumière, nous avons observé une pénurie de rayons X et gamma qui pourraient indiquer l'annihilation de la matière et de l'antimatière. Même à grande échelle cosmologique, 99,999% de ce qui existe dans notre univers sera certainement représenté par la matière (telle que nous sommes) et non par l'antimatière.
Comment nous sommes-nous retrouvés dans une situation telle que l'Univers se compose d'une grande quantité de matière et ne contienne pratiquement pas d'antimatière, si les lois de la nature sont absolument symétriques entre la matière et l'antimatière? Eh bien, il y a deux options: soit l'Univers est né avec plus de matière que d'antimatière, soit quelque chose s'est produit à un stade précoce, lorsque l'Univers était très chaud et dense, et a donné lieu à une asymétrie de la matière et de l'antimatière, qui n'existait pas à l'origine.
La première idée ne peut être testée scientifiquement sans recréer l'univers entier, mais la seconde est très convaincante. Si notre Univers a créé d'une manière ou d'une autre une asymétrie de matière et d'antimatière là où elle n'était pas à l'origine, alors les règles qui fonctionnaient alors resteront inchangées aujourd'hui. Si nous sommes assez intelligents, nous pouvons développer des tests expérimentaux qui révèlent l'origine de la matière dans notre univers.
À la fin des années 1960, le physicien Andrei Sakharov a identifié trois conditions requises pour la baryogenèse, ou la création de plus de baryons (protons et neutrons) que d'antibaryons. Les voici:
- L'univers doit être un système sans équilibre.
- Il doit avoir une violation C et CP.
- Il doit y avoir des interactions qui violent le nombre de baryons.
Le premier est facile à observer, puisqu'un Univers en expansion et en refroidissement avec des particules instables (et des antiparticules), par définition, sera hors d'équilibre. La seconde est également simple, car la symétrie C (remplacement des particules par des antiparticules) et la symétrie CP (remplacement des particules par des antiparticules réfléchies de manière spéculaire) sont brisées dans de nombreuses interactions faibles impliquant des quarks étranges, charmés et beaux.
La question reste de savoir comment casser le nombre de baryons. Nous avons observé expérimentalement que l'équilibre des quarks aux antiquarks et des leptons aux antileptons est clairement préservé. Mais dans le modèle standard de physique des particules, il n'y a pas de loi de conservation explicite pour aucune de ces quantités séparément.
Il faut trois quarks pour faire un baryon, donc pour tous les trois quarks, nous attribuons un numéro de baryon (B) 1. De même, chaque lepton recevra un nombre de lepton (L) 1. Les antiquarks, les antibaryons et les antileptons auront des nombres B et L négatifs.
Mais selon les règles du modèle standard, seule la différence entre les baryons et les leptons demeure. Dans les bonnes circonstances, vous pouvez non seulement créer des protons supplémentaires, mais également des électrons. Les circonstances exactes sont inconnues, mais le Big Bang leur a donné l'occasion de se réaliser.
Les toutes premières étapes de l'existence de l'Univers sont décrites par des énergies incroyablement élevées: suffisamment élevées pour créer toutes les particules et antiparticules connues en grande quantité selon la célèbre formule d'Einstein E = mc2. Si la création et la destruction de particules fonctionnent comme nous le pensons, l'univers primitif devrait être rempli d'un nombre égal de particules de matière et d'antimatière qui se transforment mutuellement, car l'énergie disponible reste extrêmement élevée.
Au fur et à mesure que l'univers se dilate et se refroidit, les particules instables, une fois créées en abondance, s'effondreront. Si les bonnes conditions sont réunies - en particulier les trois conditions des sucres - cela peut conduire à un excès de matière sur l'antimatière, même s'il n'y en avait pas au départ. Le défi pour les physiciens est de créer un scénario viable, cohérent avec l'observation et l'expérimentation, qui peut vous donner suffisamment de matière en excès par rapport à l'antimatière.
Il existe trois principales possibilités pour cet excès de matière sur l'antimatière:
- La nouvelle physique à l'échelle électrofaible pourrait augmenter considérablement la quantité de violation de C et de CP dans l'Univers, ce qui entraînera des asymétries entre la matière et l'antimatière. Les interactions SM (via le processus de sphaléron) qui violent B et L individuellement (mais conservent B - L) peuvent créer les volumes souhaités de baryons et de leptons.
- La nouvelle physique des neutrinos à haute énergie à laquelle l'univers fait allusion pourrait créer une asymétrie fondamentale des leptons: la leptogenèse. Les sphalérons conservant B - L pourraient alors utiliser l'asymétrie leptonique pour créer une asymétrie baryonique.
- Ou baryogenèse à l'échelle de la grande unification, si la nouvelle physique (et les nouvelles particules) existent à l'échelle de la grande unification, lorsque la force électrofaible est combinée à la force forte.
Ces scénarios ont des éléments communs, alors jetons un coup d'œil au dernier, juste à titre d'exemple, pour comprendre ce qui aurait pu se passer.
Si la théorie de la grande unification est correcte, il doit y avoir de nouvelles particules super-lourdes appelées X et Y qui ont à la fois des propriétés de type baryon et de lepton. Il devrait également y avoir leurs partenaires d'antimatière: anti-X et anti-Y, avec des nombres B - L opposés et des charges opposées, mais avec la même masse et la même durée de vie. Ces paires particule-antiparticule peuvent être créées en grandes quantités à des énergies suffisamment élevées pour ensuite se désintégrer.
Nous remplissons donc l'univers avec eux, puis ils se désintègrent. Si nous avons des violations de C et CP, il peut y avoir de légères différences dans la façon dont les particules et les antiparticules (X, Y et anti-X, anti-Y) se désintègrent.
Si la particule X a deux chemins: la désintégration en deux quarks up ou en deux quarks anti-down et un positron, alors l'anti-X doit passer par deux chemins correspondants: deux quarks anti-up ou un quark down et un électron. Il y a une différence importante qui est autorisée lorsque C- et CP sont cassés: X peut être plus susceptible de se désintégrer en deux quarks up que l'anti-X en deux quarks anti-up, tandis que l'anti-X est plus susceptible de se désintégrer en quark down et un électron que X - en un quark anti-up et un positron.
Si vous avez suffisamment de paires et que vous vous décomposez de cette manière, vous pouvez facilement obtenir un excès de baryons par rapport aux antibaryons (et aux leptons par rapport aux antileptons) là où il n'y en avait pas auparavant.
Ceci n'est qu'un exemple pour illustrer notre compréhension de ce qui s'est passé. Nous avons commencé avec un univers complètement symétrique, obéissant à toutes les lois connues de la physique, et avec un état chaud, dense et riche rempli de matière et d'antimatière en quantités égales. Grâce à un mécanisme que nous n'avons pas encore déterminé, obéissant aux trois conditions de Sakharov, ces processus naturels ont finalement créé un excès de matière sur l'antimatière.
Le fait que nous existions et que nous soyons faits de matière est indéniable; la question est de savoir pourquoi notre Univers contient quelque chose (matière) et non rien (après tout, la matière et l'antimatière étaient également divisées). Peut-être que dans ce siècle nous trouverons la réponse à cette question.
Ilya Khel
