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Comment la matière de notre Univers a-t-elle surgi du néant ?

À toutes les échelles de l’Univers, de notre voisinage local au milieu interstellaire en passant par les galaxies individuelles… les amas, les filaments et la grande toile cosmique, tout ce que nous observons semble être constitué de matière normale et non d’antimatière. Il s’agit là d’un mystère inexpliqué.

NASA, ESA et l’équipe du patrimoine Hubble (STScI/AURA)

Lorsque vous regardez l’immensité de l’Univers, les planètes, les étoiles, les galaxies et tout ce qui existe, une question évidente crie pour une explication : pourquoi y a-t-il quelque chose au lieu de rien ? Le problème s’aggrave encore lorsque l’on considère les lois de la physique régissant notre Univers, qui semblent être totalement symétriques entre la matière et l’antimatière. Pourtant, lorsque nous observons ce qui existe, nous constatons que toutes les étoiles et galaxies que nous voyons sont composées à 100 % de matière, et qu’il n’y a pratiquement pas d’antimatière. Il est clair que nous existons, tout comme les étoiles et les galaxies que nous voyons, et que quelque chose a dû créer plus de matière que d’antimatière, rendant possible l’Univers que nous connaissons. Mais comment cela est-il arrivé ? C’est l’un des plus grands mystères de l’Univers, mais un mystère que nous sommes plus près que jamais de résoudre.

Le contenu en matière et en énergie de l’Univers à l’heure actuelle (à gauche) et à des époques antérieures…. (à droite). Notez la présence de l’énergie noire, de la matière noire, et la prédominance de la matière normale sur l’antimatière, qui est si infime qu’elle ne contribue à aucune des époques indiquées.

NASA, modifié par l’utilisateur Wikimedia Commons 老陳, modifié encore par E. Siegel

Considérez ces deux faits sur l’Univers, et combien ils sont contradictoires :

  1. Toute interaction entre particules que nous avons jamais observée, à toutes les énergies, n’a jamais créé ou détruit une seule particule de matière sans créer ou détruire également un nombre égal de particules d’antimatière.
  2. Lorsque nous regardons l’Univers, toutes les étoiles, les galaxies, les nuages de gaz, les amas, les superamas et les structures à plus grande échelle partout, tout semble être fait de matière et non d’antimatière.

Cela semble être une impossibilité. D’une part, il n’y a aucun moyen connu, étant donné les particules et leurs interactions dans l’Univers, de fabriquer plus de matière que d’antimatière. D’autre part, tout ce que nous voyons est définitivement fait de matière et non d’antimatière. Voici comment nous le savons.

La production de paires matière/antimatière (à gauche) à partir d’énergie pure est une réaction complètement réversible… (à droite), la matière/antimatière s’annihilant pour redevenir de l’énergie pure. Ce processus de création et d’annihilation, qui obéit à E = mc^2, est la seule façon connue de créer et de détruire de la matière ou de l’antimatière.

Dmitri Pogosyan / Université d’Alberta

Quand et où l’antimatière et la matière se rencontrent dans l’Univers, il y a une fantastique explosion d’énergie due à l’annihilation particule-antiparticule. Nous observons effectivement cette annihilation à certains endroits, mais seulement autour des sources hyperénergétiques qui produisent de la matière et de l’antimatière en quantités égales, comme autour des trous noirs massifs. Lorsque l’antimatière se heurte à la matière de l’Univers, elle produit des rayons gamma de fréquences très spécifiques, que nous pouvons alors détecter. Le milieu interstellaire et intergalactique est plein de matière, et l’absence totale de ces rayons gamma est un signal fort qu’il n’y a pas de grandes quantités de particules d’antimatière qui volent quelque part, puisque cette signature matière/antimatière apparaîtrait.

Que ce soit dans les amas, les galaxies, notre propre voisinage stellaire ou notre système solaire, nous avons des limites énormes,… puissantes sur la fraction d’antimatière dans l’Univers. Il ne peut y avoir aucun doute : tout dans l’Univers est dominé par la matière.

Gary Steigman, 2008, via http://arxiv.org/abs/0808.1122

Dans le milieu interstellaire de notre propre galaxie, la durée de vie moyenne serait de l’ordre d’environ 300 ans, ce qui est minuscule comparé à l’âge de notre galaxie ! Cette contrainte nous indique que, au moins au sein de la Voie lactée, la quantité d’antimatière autorisée à se mélanger à la matière que nous observons est au maximum de 1 partie sur 1 000 000 000 000 000 ! À plus grande échelle – celle des galaxies et des amas de galaxies, par exemple – les contraintes sont moins strictes mais restent très fortes. Avec des observations s’étendant de quelques millions d’années-lumière à plus de trois milliards d’années-lumière, nous avons observé une pénurie de rayons X et gamma que l’on attendrait de l’annihilation matière-antimatière. Ce que nous avons vu, c’est que même à de grandes échelles cosmologiques, plus de 99,999% de ce qui existe dans notre Univers est définitivement de la matière (comme nous) et non de l’antimatière.

Voici la nébuleuse de réflexion IC 2631, telle qu’elle a été imagée par le télescope MPG/ESO de 2,2 mètres. Que ce soit dans notre… propre galaxie ou entre galaxies, il n’y a tout simplement aucune preuve des signatures gamma qui devraient exister s’il y avait des poches significatives, des étoiles ou des galaxies faites d’antimatière.

ESO

Donc, d’une manière ou d’une autre, même si nous ne sommes pas tout à fait sûrs de comment, nous avons dû créer plus de matière que d’antimatière dans le passé de l’Univers. Ce qui est rendu encore plus confus par le fait que la symétrie entre la matière et l’antimatière, en termes de physique des particules, est encore plus explicite qu’on pourrait le penser. Par exemple :

  • chaque fois que nous créons un quark, nous créons aussi un antiquark,
  • chaque fois qu’un quark est détruit, un antiquark est aussi détruit,
  • chaque fois que nous créons ou détruisons un lepton, nous créons ou détruisons aussi un antilepton de la même famille de leptons, et
  • chaque fois qu’un quark ou un lepton subit une interaction, une collision ou une désintégration, le nombre total net de quarks et de leptons à la fin de la réaction (quarks moins antiquarks, leptons moins antileptons) est le même à la fin qu’au début.

La seule façon dont nous avons jamais fait plus (ou moins) de matière dans l’Univers a été de faire aussi plus (ou moins) d’antimatière en quantité égale.

Les particules et antiparticules du modèle standard obéissent à toutes sortes de lois de conservation, mais il…. de légères différences entre le comportement de certaines paires de particules/antiparticules qui peuvent être des indices de l’origine de la baryogenèse.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Mais nous savons que cela doit être possible ; la seule question est de savoir comment cela s’est produit. A la fin des années 1960, le physicien Andrei Sakharov a identifié trois conditions nécessaires à la baryogenèse, ou la création de plus de baryons (protons et neutrons) que d’anti-baryons. Elles sont les suivantes :

  1. L’Univers doit être un système hors équilibre.
  2. Il doit présenter une violation de C et de CP.
  3. Il doit y avoir des interactions violant le nombre de baryons.

La première est facile, car un Univers en expansion et en refroidissement contenant des particules (et/ou des antiparticules) instables est, par définition, hors équilibre. La seconde est facile, aussi, puisque la symétrie « C » (remplaçant les particules par des antiparticules) et la symétrie « CP » (remplaçant les particules par des antiparticules réfléchies par un miroir) sont toutes deux violées dans les interactions faibles.

Un méson normal tourne dans le sens inverse des aiguilles d’une montre autour de son pôle Nord et se désintègre avec un électron étant… émis dans la direction du pôle Nord. L’application de la symétrie C remplace les particules par des antiparticules, ce qui signifie que nous devrions avoir un anti-méson tournant dans le sens inverse des aiguilles d’une montre autour de son pôle Nord se désintégrer en émettant un positron dans la direction du Nord. De même, la symétrie P renverse ce que nous voyons dans un miroir. Si les particules et les antiparticules ne se comportent pas exactement de la même manière selon les symétries C, P ou CP, on dit que cette symétrie est violée. Jusqu’à présent, seule l’interaction faible viole l’une des trois.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Il reste donc à savoir comment violer le nombre de baryons. Dans le modèle standard de la physique des particules, malgré la conservation observée du nombre de baryons, il n’y a pas de loi de conservation explicite ni pour cela ni pour le nombre de leptons (où un lepton est une particule comme un électron ou un neutrino). Au lieu de cela, seule la différence entre les baryons et les leptons, B – L, est conservée. Ainsi, dans les bonnes circonstances, vous pouvez non seulement fabriquer des protons supplémentaires, mais aussi les électrons dont vous avez besoin pour les accompagner.

Ces circonstances restent cependant un mystère. Dans les premiers stades de l’Univers, nous nous attendons tout à fait à ce que des quantités égales de matière et d’antimatière existent, avec des vitesses et des énergies très élevées.

Au niveau des hautes températures atteintes dans le très jeune Univers, non seulement les particules et les photons peuvent être…. spontanément créés, si l’on dispose de suffisamment d’énergie, mais aussi des antiparticules et des particules instables, ce qui donne une soupe primordiale de particules et d’antiparticules.

Brookhaven National Laboratory

A mesure que l’Univers s’étend et se refroidit, les particules instables, une fois créées en grande abondance, se désintègrent. Si les bonnes conditions sont réunies, elles peuvent conduire à un excès de matière par rapport à l’antimatière, même là où il n’y en avait pas initialement. Il existe trois possibilités principales pour expliquer comment cet excès de matière par rapport à l’antimatière a pu apparaître :

  • Une nouvelle physique à l’échelle électrofaible pourrait augmenter considérablement la quantité de violation de C et CP dans l’Univers, conduisant à une asymétrie entre matière et antimatière. Les interactions entre sphalons, qui violent B et L individuellement (mais conservent B – L) peuvent alors générer les bonnes quantités de baryons et de leptons. Cela pourrait se produire soit sans supersymétrie, soit avec supersymétrie, selon le mécanisme.
  • La nouvelle physique des neutrinos aux hautes énergies, dont nous avons un formidable indice, pourrait créer très tôt une asymétrie leptonique fondamentale : la leptogenèse. Les sphalérons, qui conservent B – L, utiliseraient alors cette asymétrie leptonique pour générer une asymétrie baryonique.
  • Ou une baryogenèse à l’échelle du GUT, où l’on découvre une nouvelle physique (et de nouvelles particules) à l’échelle de la grande unification, où la force électrofaible s’unifie avec la force forte.

Ces scénarios ont tous des éléments en commun, alors parcourons le dernier, juste à titre d’exemple, pour voir ce qui aurait pu se passer.

En plus des autres particules de l’Univers, si l’idée d’une Grande Théorie Unifiée s’applique à… notre Univers, il y aura des bosons super lourds supplémentaires, des particules X et Y, ainsi que leurs antiparticules, présentées avec leurs charges appropriées au milieu de la mer chaude des autres particules de l’Univers primitif.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Si la grande unification est vraie, alors il devrait y avoir de nouvelles particules super lourdes, appelées X et Y, qui ont des propriétés de type baryon et de type lepton. Il devrait également y avoir leurs homologues antimatière : anti-X et anti-Y, avec des nombres B – L et des charges opposés, mais la même masse et la même durée de vie. Ces paires de particules-antiparticules peuvent être créées en grande abondance à des énergies suffisamment élevées, puis se désintégreront à des moments ultérieurs.

Donc votre Univers peut en être rempli, puis il se désintégrera. Si vous avez une violation de C et CP, cependant, alors il est possible qu’il y ait de légères différences entre la façon dont les particules et les antiparticules (X/Y vs anti-X/anti-Y) se désintègrent.

Si nous permettons aux particules X et Y de se désintégrer dans les combinaisons de quarks et de leptons indiquées, leurs… homologues antiparticules se désintégreront dans les combinaisons d’antiparticules respectives. Mais si CP est violée, les voies de désintégration – ou le pourcentage de particules se désintégrant d’une manière par rapport à une autre – peuvent être différentes pour les particules X et Y par rapport aux particules anti-X et anti-Y, ce qui entraîne une production nette de baryons par rapport aux antibaryons et de leptons par rapport aux antileptons.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Si votre particule X a deux voies : se désintégrer en deux quarks up ou un quark anti-down et un positron, alors l’anti-X doit avoir deux voies correspondantes : deux quarks anti-up ou un quark down et un électron. Remarquez que le X a un B – L de deux tiers dans les deux cas, alors que l’anti-X a deux tiers négatifs. C’est la même chose pour les particules Y/anti-Y. Mais il y a une différence importante qui est autorisée avec la violation de C et CP : le X pourrait être plus susceptible de se désintégrer en deux quarks up que l’anti-X ne l’est en deux quarks anti-up, tandis que l’anti-X pourrait être plus susceptible de se désintégrer en un quark down et un électron que le X ne l’est en un quark anti-down et un positron.

Si vous avez suffisamment de paires X/anti-X et Y/anti-Y, et qu’elles se désintègrent de cette manière autorisée, vous pouvez facilement faire un excès de baryons sur les antibaryons (et de leptons sur les antileptons) là où il n’y en avait pas auparavant.

Si les particules se désintégraient selon le mécanisme décrit ci-dessus, on se retrouverait avec un… excès de quarks par rapport aux antiquarks (et de leptons par rapport aux antileptons) après que toutes les particules instables et superlourdes se soient désintégrées. Après que les paires de particules-antiparticules en excès se soient annihilées (correspondant aux lignes rouges pointillées), il nous resterait un excès de quarks up-and-down, qui composent les protons et les neutrons dans des combinaisons de up-up-down et up-down-down, respectivement, et d’électrons, qui correspondront aux protons en nombre.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

En d’autres termes, on peut commencer avec un Univers complètement symétrique, qui obéit à toutes les lois connues de la physique et qui crée spontanément de la matière et de l’antimatière uniquement par paires égales et opposées, et se retrouver à la fin avec un excès de matière par rapport à l’antimatière. Nous avons de multiples voies possibles pour réussir, mais il est très probable que la nature n’avait besoin que de l’une d’entre elles pour nous donner notre Univers.

Le fait que nous existons et que nous sommes faits de matière est indiscutable ; la question de savoir pourquoi notre Univers contient quelque chose (de la matière) au lieu de rien (à partir d’un mélange égal de matière et d’antimatière) est une question qui doit avoir une réponse. Au cours de ce siècle, les progrès réalisés dans les tests électrofaibles de précision, la technologie des collisionneurs et les expériences de physique des particules au-delà du modèle standard pourraient révéler exactement comment cela s’est produit. Et quand ce sera le cas, l’un des plus grands mystères de l’existence aura enfin une solution.

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