Antimatière et boule de gomme

Depuis de nombreuses années, l’absence d’antimatière dans l’Univers intrigue les physiciens des particules et les cosmologistes : le Big Bang aurait dû créer en quantités égales de la matière et de l’antimatière, or, on ne trouve aucune trace d’antimatière primordiale. Où est donc passée l’antimatière ? Les expériences du LHC pourraient dévoiler des processus naturels qui permettraient d’expliquer ce mystère.

Une collision à 7 TeV captée par le détecteur LHCb. L'expérience LHCb, au LHC, est toute designée pour chercher à percer le mystère de l'antimatière. Credit: CERN

Chaque fois que de l’énergie est transformée en matière, une quantité égale de particules et d’antiparticules apparaissent. Inversement, lorsque la matière rencontre l’antimatière, les deux s’annihilent en produisant de la lumière. De l’antimatière est produite en permanence lorsque les rayons cosmiques viennent frapper l’atmosphère terrestre, et l’annihilation de la matière et de l’antimatière est observée pendant les expériences de physique dans les accélérateurs de particules.

Si l’Univers contenait des régions d’antimatière, nous devrions observer des flux intenses de photons aux frontières des régions de matière et des régions d’antimatière. « Les expériences qui mesurent le fonds diffus de gamma dans l’Univers repèreraient ces émissions de lumière, explique Antonio Riotto, du groupe Théorie du CERN. Si rien n’est détecté, on peut en conclure que les domaines de matière ont au moins la taille de la totalité de l’Univers visible. »

Quelle est la cause de la disparition de l’antimatière au profit de la matière ? « En 1967, le physicien russe Andreï Sakharov a suggéré que des forces opérant de façon différenciée entre matière et antimatière, ce qu’on appelle des effets de ?violation de CP’, pourraient avoir modifié la symétrie initiale matière-antimatière lorsque des déviations par rapport à l’équilibre thermique de l’Univers se sont produites », déclare Antonio Riotto. Dans l’Univers froid d’aujourd’hui, nous observons seulement à de rares occasions des effets de violation de CP, dans lesquels la Nature préfère la création de matière à la création d’antimatière. De tels effets ont d’abord été découverts dans les désintégrations de mésons K contenant des quarks étranges ; ils ont ensuite été observés dans les désintégrations de mésons B contenant des quarks b.

Aujourd’hui, les scientifiques pensent que l’Univers primordial pourrait avoir connu une phase de transition au cours de laquelle l’équilibre thermodynamique a été rompu, alors que la densité de l’Univers était très forte et que la température moyenne était un milliard de fois (ou plus) la température du centre du Soleil. « Certains physiciens pensent que ce processus pourrait s’expliquer par la création de sortes de bulles qui se sont progressivement étendues, imposant ainsi leur nouvel équilibre sur la totalité de l’Univers préexistant », explique Antonio Riotto. Quelle qu’ait été la dynamique réelle de cette phase, l’important est qu’une particule de matière sur 10 milliards aurait survécu, alors que toutes les autres se sont annihilées avec les antiparticules correspondantes.

Comment le LHC peut-il aider à résoudre le mystère ? En étudiant les désintégrations rares, les expériences peuvent nous apporter des informations plus précises sur les phénomènes liés à la violation de CP impliquant les particules connues et de nouvelles particules, telles que les mésons contenant à la fois des quarks b et des quarks étranges. De plus, si de nouvelles particules supersymétriques sont découvertes au LHC, certains des scénarios possibles intégrant une phase de non-équilibre pourraient trouver une confirmation expérimentale. « Si l’on découvre au LHC un boson de Higgs ayant une masse inférieure à 130 GeV, et si cette découverte est associée à la détection d’une particule supersymétrique légère appelée ?stop?, on pourrait avoir la preuve expérimentale que la phase de non-équilibre s’est produite par la formation de bulles », conclut Antonio Riotto.

Quoi qu’il en soit, comme la disparition de l’antimatière primordiale ne peut être expliquée par la théorie du modèle standard actuel, il est clair que nous devons chercher une nouvelle théorie. Les physiciens explorent plusieurs pistes, mais, étant donné que ce que nous observons ne représente qu’environ 4% de l’énergie et de la matière dont l’Univers est constitué, il est à supposer que l’explication du mystère de l’antimatière est à chercher notamment dans la partie de l’Univers encore inconnue. Avec son très fort potentiel de découverte, le LHC permettra certainement d’apporter quelques réponses.

Le LHC n’est pas le seullieu où l’on recherche la solution du mystère de l’antimatière. Les expériences BaBar, au SLAC (États-Unis), et BELLE, au KEK (Japon), ont étudié de près les désintégrations de mésons B, et les expériences CDF et D0, au Tevatron, portent également sur les effets de violation de CP. Il y a aussi le détecteur AMS (Alpha Magnetic Spectrometer), qui sera arrimé cette année à la Station spatiale internationale ; sa mission sera de rechercher des traces de particules d’antimatière résultant de la désintégration de la matière noire.