Pourquoi y a-t-il plus de matière que d'antimatière dans l'univers?

Pourquoi existons-nous? C’est peut-être la question la plus profonde qui puisse paraître complètement au-delà de la physique des particules élémentaires. Mais notre nouvelle expérience au grand collisionneur de hadrons du CERN nous a rapprochés de la réponse. Pour comprendre pourquoi nous existons, nous devons d'abord nous rendre il y a 13,8 milliards d'années, à l'heure du Big Bang. Cet événement a produit une quantité égale de la substance dont nous sommes composés et de l'antimatière.

On croit que chaque particule a un partenaire del'antimatière, qui lui est presque identique, mais a une charge opposée. Lorsqu'une particule et son antiparticule se rencontrent, elles s'annulent - disparaissent dans un éclair de lumière.

Où est toute l'antimatière?

Pourquoi l'univers que nous voyons est-il composé?entièrement de la matière, c'est l'un des plus grands mystères de la physique moderne. S'il y avait eu une quantité égale d'antimatière, tout dans l'univers aurait été annihilé. 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 de l'antimatière.En 1896, puis en 1928, Paul Dirac lui donna une justification théorique et, en 1932, Karl Anderson la découvrit sous la forme d'antiélectrons, appelés positrons. Les positrons naissent dans des processus radioactifs naturels, par exemple la désintégration du potassium 40. Cela signifie qu'une banane ordinaire (contenant du potassium) émet un positron toutes les 75 minutes. Il s'annule ensuite avec des électrons dans la matière, produisant de la lumière. Les applications médicales telles que les scanners PET produisent également un anti-matière selon un processus similaire.

Les principaux éléments constitutifs de la substanceconstitués d'atomes, sont des particules élémentaires - quarks et leptons. Il existe six types de quarks: supérieur, inférieur, étrange, enchanté, vrai et beau. De même, il existe six leptons: un électron, un muon, un tau et trois types de neutrinos. Il existe également des copies anti-matière de ces douze particules, qui ne diffèrent que par leur charge.

Les particules d’antimatière devraient en principe êtreimage miroir parfaite de leurs satellites habituels. Mais les expériences montrent que ce n'est pas toujours le cas. Prenons, par exemple, des particules appelées mésons, qui consistent en un quark et un antiquark. Les mésons neutres ont une caractéristique étonnante: ils peuvent spontanément se transformer en leur propre anti-méson et vice-versa. Dans ce processus, le 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 que la matière devient plus avec le temps que l'antimatière.

La troisième fois - la magie

Parmi les particules contenant des quarks, ces asymétriesdécouvertes que dans des quarks étranges et beaux - et ces découvertes sont devenues extrêmement importantes. La toute première observation de l'asymétrie avec la participation de particules étranges en 1964 a permis aux théoriciens de prédire l'existence de six quarks - à une époque où l'on savait qu'il n'y en avait que trois. La découverte de l'asymétrie dans de belles particules en 2001 a été la confirmation finale du mécanisme qui a conduit à l'image avec six quarks. Les deux découvertes ont apporté des prix Nobel.

Quarks étranges et beaux portentcharge électrique négative. Le seul quark chargé positivement qui devrait théoriquement être capable de former des particules pouvant présenter l'asymétrie de la matière et de l'antimatière est charmé. La théorie suggère qu'il le fasse, son effet devrait être insignifiant et difficile à trouver.

Mais l'expérience LHCb au Grand Hadronle collisionneur a pu observer pour la première fois une telle asymétrie dans des particules appelées D-mésons, composées de quarks enchantés. Cela a été rendu possible grâce au nombre 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 mêmele mécanisme lui-même, qui conduit aux asymétries de quarks étranges et beaux, reste un espace pour de nouvelles sources d'asymétrie matière-antimatière, qui peuvent ajouter à l'asymétrie générale de celles de l'univers. Et ceci est important, car plusieurs cas d'asymétrie connus ne peuvent expliquer pourquoi il y a tant de matière dans l'univers. Une découverte avec des quarks enchantés ne suffira pas à résoudre ce problème, mais il s'agit d'une partie importante du puzzle pour comprendre l'interaction des particules fondamentales.

Prochaines étapes

Cette découverte sera suivie d'une augmentation du nombredocuments théoriques qui aident à interpréter le résultat. Mais plus important encore, il décrira d’autres tests pour approfondir la 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 telles mesures. Elle sera complétée par l'expérience Belle II au Japon, qui commence tout juste à fonctionner.

L’antimatière sous-tend également un certain nombre d’autresexpériences. Des anti-atomes entiers sont produits par le CERN Anti-Proton Retarder et fournissent une variété de mesures de haute précision. L’expérience AMS-2 à bord de la Station spatiale internationale est à la recherche d’antimatière d’origine cosmique. Un certain nombre d'expériences actuelles et futures seront consacrées à la question de savoir s'il existe une asymétrie de la matière-antimatière chez les neutrinos.

Bien que nous ne puissions toujours pas démêler complètementle mystère de l'asymétrie de la matière et de l'antimatière, notre dernière découverte a ouvert la porte à une ère de mesures précises pouvant révéler des phénomènes inconnus. Il y a tout lieu de croire qu'un jour les physiciens seront en mesure d'expliquer pourquoi nous sommes ici.

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