Les grands défis d’aujourd’hui

Selon le Modèle Standard, chaque particule de matière possède une sœur jumelle, appelée antimatière, ayant une charge électrique opposée (voir la page « Atomes et particules »). Bien que ces deux types de particules aient été produites en quantités pratiquement égales, nous observons aujourd’hui que l’Univers contient au moins un milliard de fois plus de matière que d’antimatière.

Lorsqu’une particule entre en contact avec son antiparticule, les deux s’annihilent. Cette annihilation est quasi instantanée. En quelques fractions de seconde, les deux particules disparaissent, converties entièrement en énergie, sous forme de photons, selon la célèbre équation d’Einstein E=mc² (voir la page « Mouvements et gravitation »). Ainsi, si la matière et l’antimatière avaient été créées en quantités égales, elles auraient dû s’annihiler complètement, laissant un univers essentiellement vide.

Par ailleurs l’annihilation d’un électron et d’un positron (son antiparticule) libère une énergie de l’ordre du MeV (mégaélectronvolt), ce qui peut sembler peu, mais à l’échelle cosmique, l’annihilation d’une grande quantité de matière et d’antimatière aurait libéré une énergie colossale.

De nombreuses expériences ont été menées pour tenter de comprendre cette dissymétrie. Les accélérateurs de particules, comme ceux du CERN, ont permis de produire et d’étudier des quantités importantes d’antimatière. Les expériences BABAR et Belle, par exemple, ont mesuré avec une grande précision les propriétés des particules et de leurs antiparticules, cherchant des différences subtiles qui pourraient expliquer l’asymétrie observée.

Les observations astronomiques ont également apporté des éléments de réponse. Les télescopes spatiaux, tels que Fermi, ont détecté des sources de rayons gamma qui pourraient être liées à l’annihilation de matière et d’antimatière. Cependant, ces observations n’ont pas encore permis de conclure de manière définitive.

Plusieurs théories ont été proposées pour expliquer cette dissymétrie :

• Violation de la CP: La symétrie charge-parité (CP) signifie que, au cours d’une expérience, si l’on remplace toutes les particules par leurs antiparticules et que l’on observe cette expérience dans un miroir, les résultats devraient être identiques. Les physiciens pensaient que cette symétrie CP était une loi fondamentale de la nature. Cependant, des expériences menées dans les années 1960 ont montré que cette symétrie n’était pas toujours respectée, ce qui signifie que les lois de la physique ne sont pas les mêmes pour une particule et son antiparticule. Cette violation de symétrie, observée dans les mésons K et B, pourrait contribuer à l’asymétrie matière-antimatière, mais elle n’est pas suffisante pour expliquer l’ampleur de l’effet observé.
• Nouvelle physique: Au-delà du Modèle Standard, de nouvelles particules ou interactions pourraient être à l’origine de cette dissymétrie. Les théories d’unification, la supersymétrie ou les modèles à dimensions supplémentaires sont autant d’exemples de théories qui pourraient apporter des réponses. (voir la page « Les théories d’unification« )
• Asymétrie baryonique primordiale: Il est cependant possible qu’il y ait eu une légère asymétrie dans la quantité de matière et d’antimatière créée lors du Big Bang. Cette asymétrie aurait ensuite été amplifiée par des processus physiques ultérieurs qui restent à comprendre.

Dans la vidéo ci-contre « L’antimatière et le cosmos« , Etienne Parizot, astrophysicien à l’Université Paris-Diderot, traite de cette dissymétrie matière-antimatière dans l’Univers.

Le meilleur consensus actuel est que la violation de la CP est un élément essentiel de l’explication de l’asymétrie matière-antimatière, mais qu’il est nécessaire d’identifier d’autres mécanismes pour expliquer l’ampleur de l’effet observé.

Les perspectives de recherche dans ce domaine sont nombreuses. Les futurs accélérateurs de particules, comme le Future Circular Collider du CERN, permettront d’explorer des énergies plus élevées et de découvrir de nouvelles particules. Les expériences de physique des neutrinos, qui pourraient révéler des propriétés inattendues de ces particules, pourraient également apporter des éléments de réponse. Enfin, les observations astronomiques continueront de jouer un rôle crucial dans la compréhension de l’origine de l’asymétrie matière-antimatière.

Δ  Ψ  Pour aller plus loin…

• Site du CERN – Dossier Matière-Antimatière : https://home.cern/fr/science/matter-antimatter-asymmetry-problem