Une nouvelle source d’asymétrie entre matière et antimatière

La caverne expérimentale de l'expérience LHCb. (Photo : Maximilien Brice/CERN)

L’expérience LHCb a trouvé des traces de ce qui pourrait être un nouvel indice dans le cadre du mystère de l’antimatière manquante dans l’Univers. Les scientifiques ont observé des signes intrigants d’un phénomène connu comme la violation de CP (charge-parité) dans des particules appelées baryons – une famille de particules dont les membres les plus célèbres sont les protons et les neutrons, qui composent l’ensemble de la matière de l’Univers.

L’hypothèse selon laquelle les baryons de matière se comportent exactement comme leurs équivalents d’antimatière est liée à l’idée de la symétrie CP. Toute violation de cette symétrie signifierait que les lois de la physique ne sont pas les mêmes pour les particules de matière et pour celles d’antimatière. 

Il s’agit d’un élément important ; en effet, une compréhension précise de la façon dont cette symétrie est violée dans la nature contribuerait à expliquer l’immense excès de matière, par rapport à l’antimatière, observé dans notre Univers, malgré le fait que, lors du Big Bang, la matière et l’antimatière auraient dû être créées dans des quantités égales.

Le Modèle standard de la physique des particules prédit l’existence d’une violation de CP de faible ampleur également dans le secteur des baryons. Or, même si les processus de violation de CP sont étudiés depuis plus de 50 ans, aucun effet significatif n’avait été observé avec des particules baryoniques. De plus, la violation de CP décrite dans le Modèle standard n’est pas suffisamment importante pour expliquer le déséquilibre bien plus grand qui existe entre matière et antimatière. D’autres sources de violation de CP doivent par conséquent y contribuer, et l’un des objectifs principaux de LHCb est précisément de chercher de nouvelles sources de violation de CP.

Le nouveau résultat de LHCb est basé sur une analyse des données enregistrées pendant les trois premières années d’exploitation du Grand collisionneur de hadrons (LHC). Parmi toutes les particules à courte durée de vie pouvant être créées lors d’une collision proton-proton, la collaboration a comparé le comportement du baryon Λb0 et de son équivalent dans l’antimatière, le Λb0-bar, lorsqu’ils se désintègrent en un proton (ou un antiproton) et en trois particules chargées appelées pions. Ce processus est extrêmement rare et n’avait jamais été observé auparavant. Le taux de production élevé de ces baryons dans le LHC et les capacités spécialisées du détecteur LHCb ont permis à la collaboration de récolter un échantillon pur d’environ 6 000 de ces désintégrations.

La collaboration LHCb a comparé la répartition des quatre produits de désintégration des baryons Λb0 et Λb0-bar, et a calculé les quantités spécifiques sensibles à la symétrie de CP. Toute différence ou asymétrie significative entre ces quantités pour la matière et pour l’antimatière serait une manifestation d’une violation de CP. 

Les données de LHCb ont révélé un niveau conséquent d’asymétries, dans ces quantités sensibles à la violation de CP, entre les désintégrations des baryons Λb0 et Λb0-bar, les différences atteignant dans certains cas 20 %. 

Dans l’ensemble, la signification statistique (le nom donné par les physiciens à la probabilité qu’un résultat ne soit pas le fruit du hasard) est au niveau de 3,3 déviations standard ; on parle de découverte lorsque cette valeur atteint 5 déviations standard. Ces résultats, publiés lundi 30 janvier dans la revue Nature Physics, seront mis à jour prochainement, avec l’analyse des données, plus nombreuses, enregistrées pendant la deuxième exploitation du LHC. Si cet indice préliminaire d’une violation de CP apparaît à nouveau, dans cet échantillon plus grand, avec une signification statistique plus élevée, le résultat constituera un jalon important dans l’étude de la violation de CP.

Pour en savoir plus : LHCb website et LHCb collaboration 2017 Nature Physics DOI: 10.1038/nphys4021 (en anglais).