Topic

L’antimatière

L’énigme de l’asymétrie matière-antimatière

La nébuleuse du Crabe, le vestige emblématique d’une supernova dans notre galaxie, la Voie lactée : vue composite réalisée à partir de clichés des télescopes spatiaux Herschel et Hubble (Image: NASA)

Le Big Bang devrait avoir créé autant d’antimatière que de matière dans l’Univers primordial. Pourtant, aujourd’hui, tout ce que nous percevons, depuis la plus petite forme de vie terrestre jusqu’aux objets stellaires les plus grands, est constitué presque intégralement de matière. Comparativement, il n’y a pas beaucoup d’antimatière à observer. Quelque chose a probablement fait pencher la balance. L’un des plus grands défis de la physique est de déterminer ce qui est arrivé à l’antimatière ou, en d’autres termes, d’expliquer l’asymétrie entre la matière et l’antimatière.

Les particules d’antimatière ont la même masse que leurs homologues de matière, mais des caractéristiques opposées, notamment la charge électrique. Ainsi, le positon, chargé positivement, est l’antiparticule de l’électron, chargé négativement. Les particules de matière et d'antimatière sont toujours produites par paire et, lorsqu'elles entrent en contact l’une avec l’autre, elles s'annihilent mutuellement, ne laissant derrière elles que de l’énergie pure. Au cours des premières fractions de seconde qui ont suivi le Big Bang, l’Univers dense et chaud était en effervescence : des paires particule-antiparticule ne cessaient d'apparaître et de disparaître. Si la matière et l’antimatière sont créées et détruites ensemble, l'Univers ne devrait contenir que de l'énergie résiduelle.

Néanmoins, une minuscule partie de la matière – environ une particule sur un milliard – a réussi à survivre. C’est la matière que nous observons aujourd’hui. Au cours des dernières décennies, des expériences de physique des particules ont montré que les lois de la nature ne s’appliquaient pas de la même manière pour la matière et pour l’antimatière. Les physiciens aimeraient découvrir pourquoi. Des chercheurs ont observé qu’une particule et une antiparticule se transformaient spontanément l’une dans l’autre des millions de fois par seconde avant de se désintégrer. Du fait de l’intervention d’un facteur encore inconnu au cours de ce processus dans l’Univers primordial, les particules en oscillation pourraient s’être désintégrées plus souvent sous forme de matière que d'antimatière.

Imaginons une pièce de monnaie tournant comme une toupie sur une table. Elle peut retomber du côté face ou du côté pile, mais personne ne peut déterminer ce qu’il adviendra avant qu’elle ne soit retombée. La probabilité que la pièce retombe d’un côté est de 50 %. Donc, si l’on fait tourner suffisamment de pièces sans favoriser un côté, la moitié d’entre elles devraient retomber du côté pile et l’autre du côté face. De la même façon, la moitié des particules en oscillation dans l’Univers primordial devraient s’être désintégrées sous forme de matière, et l'autre sous forme d'antimatière.

Mais imaginons que nous fassions rouler sur la table une bille spéciale qui ferait retomber toutes les pièces du côté face ; le système serait alors complètement perturbé. Il y aurait plus de côtés face que de côtés pile. De même, un mécanisme inconnu pourrait avoir interféré avec les particules en oscillation, de façon à amener une légère majorité d’entre elles à se désintégrer sous forme de matière. Les physiciens espèrent entrevoir un début d’explication en étudiant les subtiles différences de comportement entre les particules de matière et les particules d’antimatière créées lors des collisions proton-proton de haute énergie au LHC. Cette étude pourrait leur permettre de mieux comprendre pourquoi notre univers est rempli de matière.

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