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Il n'y a presque pas d'antimatière dans l'univers. Pourquoi

Quand on regarde l'univers, toutes les planèteset étoiles, galaxies et amas, gaz, poussière, plasma, on voit partout les mêmes signatures. 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 et la mort d'étoiles, les collisions, les 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 matière et 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 contradictoires à première vue:

  • Chaque interaction entre les particules nousn’ont jamais été observés à aucune énergie, n’ont jamais été créés et n’ont pas détruit une particule de matière sans créer ni détruire un nombre égal de particules d’animateur. La symétrie physique entre la matière et l'antimatière est très stricte car:
    • chaque fois que nous créons un quark ou un lepton, nous créons également antiquark et antilepton;
    • chaque fois qu'un quark ou un lepton est détruit, un antiquark ou un antilepton est également détruit;
    • leptons et antileptons créés ou détruitsdoit être en équilibre dans toute la famille des Letpons et chaque fois qu'un quark ou un lepton interagit, se heurte ou se désintègre, le nombre total de quarks et de leptons à la fin de la réaction (quarks moins antiquark, leptons moins antileptons) devrait être et sera identique à ce qu'il était au début .

    La seule façon de modifier la quantité de matière dans l'univers impliquait également une modification de la quantité d'antimatière du même montant.

    Et pourtant, il y a un deuxième fait.

  • Quand on regarde l'univers, toutes les étoiles,galaxies, nuages ​​de gaz, amas, superamas et structures à grande échelle, il semble que tout cela soit composé de matière, pas d'antimatière. Partout et partout, où l’antimatière et la matière se trouvent dans l’Univers, une fantastique libération d’énergie se produit du fait de l’annihilation de particules.
  • Mais nous ne voyons aucun signe de destruction.substances d'antimatière à grande échelle. Nous ne voyons aucune indication que certaines des étoiles, des galaxies ou des planètes que nous voyons sont constituées d'antimatière. Nous ne voyons pas les rayons gamma caractéristiques, que l’on pourrait s’attendre à voir si l’antimatière entrerait en collision avec la matière et s’anéantirait. Au lieu de cela, partout où nous ne voyons que de la matière, où que vous regardiez.

    Et cela semble impossible. D'une part, il n'existe aucun moyen connu de fabriquer plus de matière que l'antimatière, si nous nous tournons vers les particules et leur interaction dans l'univers. D'un autre côté, tout ce que nous voyons est clairement composé d'une substance et non d'antimatière.

    En fait, nous avons observé l'annihilation de la matière etl’antimatière dans certaines conditions astrophysiques extrêmes, mais uniquement à proximité de sources d’hyper-énergie produisant de la matière et de l’antimatière en quantités égales - trous noirs, par exemple. Lorsque l’antimatière entre en collision avec de la matière dans l’univers, il produit des rayons gamma de fréquences très spécifiques que nous pouvons ensuite détecter. Le milieu intergalactique interstellaire est plein de matériel et l'absence complète de ces rayons gamma est un signe fort qu'il n'y a jamais une grande quantité de particules d'antimatière, car une signature de matière-antimatière serait alors détectée.

    Si vous jetez un peu d’antimatière dans notregalaxie, il durera environ 300 ans avant d'être détruit par une particule de matière. Cette restriction nous indique que dans la Voie Lactée, la quantité d'antimatière ne peut pas dépasser la valeur d'une particule par quadrillion (1015), par rapport à la quantité totale de matière.

    À grande échelle - échelles satellitesgalaxies, grandes galaxies de la taille de la Voie lactée et même des amas de galaxies - les restrictions sont moins strictes, mais restent très fortes. Observant des distances comprises entre plusieurs millions et trois milliards d’années lumière, nous avons constaté un manque de rayons X et gamma, ce qui pourrait 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 définitivement représenté par la matière (comme nous le sommes), et non par l'antimatière.

    Comment nous sommes-nous retrouvés dans une situation telle queL'univers est constitué d'une grande quantité de matière et ne contient presque pas d'antimatière, si les lois de la nature sont absolument symétriques entre matière et antimatière? Eh bien, il y a deux options: soit l'univers est né avec plus de matière que l'antimatière, soit quelque chose est arrivé à un stade précoce, alors que l'univers était très chaud et dense et a donné naissance à l'asymétrie de la matière et de l'antimatière, qui n'y était pas.

    La première idée de vérifier scientifiquement sans recréerl'univers entier va échouer, mais le second est très convaincant. Si notre univers créait en quelque sorte une asymétrie de matière et d'antimatière là où il ne l'était pas à l'origine, les règles qui ont alors fonctionné 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 défini trois conditions nécessaires à la baryogenèse ou à la création de davantage de baryons (protons et neutrons) que d'anti-baryons. Les voici:

  • L'univers doit être un système hors équilibre.
  • Il doit contenir C et CP violation.
  • Il doit y avoir des interactions qui violent le nombre de baryons.
  • Le premier est simple car il est en expansion etl'univers de refroidissement contenant des particules instables (et des antiparticules) sera, par définition, hors d'équilibre. La seconde est également simple, car la symétrie C (remplacement de particules par des antiparticules) et la symétrie CP (remplacement de particules par des antiparticules réfléchies de manière spéculaire) sont violées dans de nombreuses interactions faibles impliquant des quarks étranges, enchantés et beaux.

    La question reste de savoir comment casser le nombre de baryons. Expérimentalement, nous avons observé que l'équilibre des quarks en antiquarks et des leptons en antileptons est clairement préservé. Mais dans le modèle standard de la physique des particules, il n’existe pas de loi de conservation explicite pour ces quantités séparément.

    Il faut trois quarks pour faire un baryon, doncpour chaque trois quarks, nous attribuons un numéro de baryon (B) 1. De la même manière, chaque lepton recevra un numéro de lepton (L) 1. Les antiquarks, les anti-baryons et les anti-blips auront des nombres négatifs B et L.

    Mais selon les règles du modèle standardseule la différence entre les baryons et les leptons. 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 concrétiser.

    Les toutes premières étapes de l'universdécrit par des énergies incroyablement élevées: assez haut pour créer toutes les particules et antiparticules connues en grande quantité en utilisant la célèbre formule Einstein E = mc2. Si la création et la destruction de particules fonctionnent comme nous le pensons, l'Univers primitif aurait dû être rempli d'un nombre égal de particules de matière et d'antimatière qui se sont mutuellement transformées car l'énergie disponible est restée extrêmement élevée.

    Avec l'expansion et le refroidissement de l'universles particules instables, une fois créées en abondance, vont s'effondrer. Si les conditions appropriées sont remplies - en particulier les trois conditions des sucres - cela peut entraîner un excès de substance par rapport à l'antimatière, même si elle n'y était pas à l'origine. Le défi pour les physiciens est de créer un scénario viable, cohérent avec les observations et les expériences, qui peut vous donner un excès de matière suffisant par rapport à l'antimatière.

    Il existe trois possibilités principales pour la présence de cet excès de substance sur l’antimatière:

    • Une nouvelle physique à l’échelle électrofaible peutaugmenter de manière significative le nombre de violations C et CP dans l'univers, ce qui conduira à l'asymétrie entre matière et antimatière. Les interactions du modèle standard (via le processus de sphaleron), qui violent B et L individuellement (mais conservent B - L), peuvent créer les volumes nécessaires de baryons et de leptons.
    • Nouvelle physique des neutrinos aux hautes énergies, surque l'univers nous suggère pourrait créer une asymétrie fondamentale des leptons: la leptogenèse. Les sphalerones conservant B - L pourraient alors utiliser une asymétrie de lepton pour créer une asymétrie de baryon.
    • Ou encore la baryogenèse à l’échelle de la théorie de la grande unification, s’il existe une nouvelle physique (et de nouvelles particules) à l’échelle de la grande unification, lorsque la force électrofaible se combine au fort.

    Ces scénarios ont des éléments communs, alors examinons le dernier, juste pour donner un exemple, pour comprendre ce qui aurait pu se passer.

    Si la théorie de la grande unification est correcte,être de nouvelles particules super-lourdes, appelées X et Y, qui possèdent à la fois des propriétés similaires à celles du baryon et du lepton. Leurs partenaires de l'antimatière doivent également être: anti-X et anti-Y, de nombres opposés BL et L et de charges opposées, mais avec la même masse et la même durée de vie. Ces paires particules-antiparticules peuvent être créées en grande quantité à des énergies suffisamment élevées pour se désintégrer ultérieurement.

    Donc, nous remplissons l'univers avec eux, puis ilstomber en morceaux. Si nous avons des violations de C et de CP, il peut y avoir de légères différences dans la façon dont les particules et les antiparticules se désintègrent (X, Y et anti-X, anti-Y).

    Si la particule X a deux manières: décomposer en deux quarks supérieurs ou deux quarks anti-fond et un positron, alors l'anti-X doit passer par deux voies appropriées: deux quarks anti-sommet ou un quark inférieur et un électron. Il existe une distinction importante qui est permise lorsque C- et CP sont violés: X peut plus probablement tomber dans deux quarks supérieurs qu'anti-X en deux quarks supérieurs, alors que les anti-X sont plus susceptibles de se désintégrer dans le quark inférieur et les électrons. que X - sur le quark anti-sommet et le positron.

    Avec un nombre suffisant de paires et de décroissance de cette manière, vous pouvez facilement obtenir un excès de baryons par-dessus des antibaryons (et des leptons par-dessus des antileptons), où il n'était pas là auparavant.

    Ceci est juste un exemple illustrant notreidée 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. En utilisant le mécanisme que nous avons encore à déterminer, sous réserve des trois conditions de Sakharov, ces processus naturels ont finalement créé un excès de substance par rapport à l’antimatière.

    Le fait que nous existions et consiste en matièreindiscutable la question est de savoir pourquoi notre Univers contient quelque chose (de la matière) et non rien (après tout, la matière et l'antimatière étaient également divisées). Peut-être qu'au cours de ce siècle nous trouverons la réponse à cette question.

    Pourquoi pensez-vous qu'il n'y a presque pas d'antimatière dans l'univers? Dites-nous dans notre conversation dans Telegram.