On suppose que, lors du Big Bang, matière et antimatière ont été produites en quantités égales. Or, 13,8 milliards d’années plus tard, l’Univers est presque entièrement constitué de matière : quelque chose a donc dû se passer pour provoquer un tel déséquilibre.

D’après le Modèle standard de la physique des particules, il existerait une asymétrie entre la matière et l’antimatière, appelée violation de charge-parité (CP). Toutefois, l’ampleur de cette asymétrie selon le Modèle standard n’est pas suffisante pour expliquer le déséquilibre ; de plus, à ce jour, l’asymétrie n’a été observée que dans certaines désintégrations de particules appelées mésons, qui sont constituées d’un quark et d’un antiquark. Elle n’a pas encore été observée dans d’autres types de désintégrations de mésons, ni dans des désintégrations d’autres types de particules, telles que les particules à trois quarks appelées baryons.

Dans deux nouveaux articles, la collaboration LHCb auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC) rapporte avoir observé des indices probants de la violation de CP dans des désintégrations de baryons et dans des désintégrations des hadrons de beauté en charmoniums, apportant ainsi un nouvel éclairage sur l'énigme matière-antimatière.

Plusieurs expériences, dont LHCb, ont par le passé recherché la violation de CP dans les baryons en cherchant des différences dans la manière dont les baryons de matière et d’antimatière se désintègrent en d’autres particules. Or, jusqu’à présent, ces recherches n’ont rien donné. Bien qu’une étude de LHCb ait mis en évidence des indices probantsdu processus dans une désintégration particulière du baryon Lambda b, ce résultat n’a pas été renforcé par l’analyse d’un échantillon plus large de ce type de désintégrations, réalisée lors d’une autre étude menée ultérieurement.

Dans la première de ses nouvelles études, l’équipe LHCb a passé au crible les données de collisions proton-proton recueillies au cours des première et deuxième périodes d’exploitation du LHC afin de rechercher différents modes de désintégration du baryon Lambda b, notamment sa désintégration en un baryon Lambda et en deux kaons. Elle a ensuite recherché la violation de CP dans chaque mode de désintégration en comptant le nombre de désintégrations du baryon Lambda b et de son partenaire dans l’antimatière, et en les comparant. Pour la désintégration en un baryon Lambda et deux kaons, cette différence a mis en évidence la violation de CP avec une signification de 3,2 écarts-types.

Dans la deuxième de ces nouvelles études, l’équipe de LHCb s’est intéressée à la désintégration du méson de beauté chargé électriquement en un J/psi et un pion chargé. Le J/psi est un charmonium – un méson constitué d’un quark charmé et d’un antiquark charmé. En procédant à une analyse similaire à celle de l’étude du baryon Lambda b, et en utilisant également les données des première et deuxième périodes d’exploitation du LHC, les scientifiques de LHCb ont trouvé des indices probants de la violation de CP dans ce mode de désintégration du méson de beauté chargé, là encore avec une signification de 3,2 écarts-types. Ce résultat constitue un indice probant de la violation de CP dans les désintégrations des baryons et dans les désintégrations des hadrons de beauté en charmoniums.

Ces deux études constituent une étape importante s’agissant de la détermination de l’existence ou de la non-existence d’une violation du CP dans ces types de désintégrations. Les données de la troisième période d’exploitation du LHC et celles de la version améliorée du LHC, le LHC à haute luminosité, devraient permettre d’en savoir plus sur la question et sur d’autres pièces manquantes du puzzle, afin de mieux comprendre l’asymétrie matière-antimatière.