Cosmologie

Pourquoi l'Univers est-il fait de matière et non d'antimatière ? Une nouvelle expérience donne un indice alléchant.

2024

Des scientifiques projetant des neutrinos à travers la Terre pourraient avoir fait un pas décent pour répondre à l'une des questions les plus fondamentales et les plus aggravantes que l'Univers nous ait posées : pourquoi tout est-il fait de matière et non d'antimatière ?

Oh, tu connais le terme antimatière . Un incontournable de la science-fiction, y compris Star Trek , c'est la même chose que la matière mais avec une charge électrique opposée . Ainsi, un anti-électron, appelé positron , a exactement les mêmes propriétés qu'un électron mais a une charge électrique positive au lieu d'une charge négative. Un antiproton est comme un proton mais avec une charge négative, et ainsi de suite.

Une autre propriété amusante de l'antimatière est que si vous prenez une particule et son antiparticule et que vous les réunissez, bang. Big, big bang : ils se convertissent en énergie pure. UNE parcelle d'énergie. Si je rencontrais anti-Phil et que nous décidions de danser, nous exploserions avec la même énergie que 3 500 armes nucléaires d'une mégatonne .

L'antimatière n'est pas mauvaise, mais vous ne voulez pas l'associer à la matière. Crédit : Phil Plait

Et c'est un problème (en plus de gâcher une rave). Vous voyez, selon les lois de la physique telles que nous les comprenons, quand l'Univers était très jeune - à peine quelques minutes - et sa température a suffisamment baissé au fur et à mesure de son expansion , il aurait dû créer des quantités égales de matière et d'antimatière.

Mais si c'était vrai, chaque particule aurait rencontré son antiparticule, et ka blâmer . Il ne devrait pas y avoir de matière ou d'antimatière dans le cosmos. Ils se seraient tous anéantis. Et pourtant nous y sommes.

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En réalité, les deux n'étaient pas égaux. Pour chaque milliard de paires de particules de matière/antimatière, il restait une particule de matière. Pas beaucoup, mais assez pour expliquer toutes les galaxies, étoiles, planètes, personnes et tasses de thé Earl Grey que nous voyons aujourd'hui après l'annihilation de toutes les autres paires.

Mais pourquoi? Pourquoi l'asymétrie ?

Ce doit être que nos lois de symétrie matière/antimatière sont en quelque sorte violées, que l'antimatière n'est pas exactement comme la matière en quelque sorte. Mais quoi?

Les scientifiques recherchent cette asymétrie depuis longtemps . La physique détaillée est intéressante — il y a une explication fantastique à cela sur le site d'expérimentation DAEδALUS – mais vous n'avez pas besoin de tout pour comprendre le prochain bit, ce que font les scientifiques pour le trouver.

OK, faisons un petit détour ici pendant une seconde. Il existe un autre type de particule subatomique appelée neutrino. Il a beaucoup de propriétés étranges, comme être capable de traverser beaucoup de matière normale comme s'il n'y en avait pas ; il n'interagit tout simplement pas beaucoup avec la matière. Un tout petit peu, mais pas beaucoup. Ils existent également en trois saveurs différentes, appelées neutrinos muoniques, électroniques et tau. Un type de neutrino peut se transformer spontanément en un autre lors de son voyage dans l'espace.

Et la raison pour laquelle je les mentionne ici est que lorsque vous parcourez les équations incroyablement complexes régissant les neutrinos et leurs équivalents en antimatière, vous trouvez un indice qu'ils pourraient ne pas agir de la même manière. Il peut en effet y avoir une asymétrie là-bas, c'est donc là que les scientifiques ont concentré leurs efforts.

Et voici où nous arrivons à la partie très intéressante : les scientifiques avec la collaboration T2K Vient d'être annoncé ils ont peut-être mesuré cette violation de symétrie dans les neutrinos . Les résultats ne sont pas solides, mais ils sont très intéressants.

L'expérience consiste à créer un faisceau de neutrinos de muons et à le tirer depuis le complexe japonais de recherche sur l'accélérateur de protons (JPARC) à travers la Terre solide à 295 kilomètres jusqu'au détecteur de neutrinos Super-Kamiokande.

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Ils le font en accélérant des protons dans un échantillon de carbone, qui crache ensuite des neutrinos de muons dans un faisceau destiné à Super-Kamiokande. Quand ils y arriveront une milliseconde plus tard (!!), très, très peu de ces neutrinos frapperont un atome dans les 50 000 tonnes d'eau extrêmement pure stockées dans un réservoir et créer un muon, encore un autre type de particule. Cependant, la plupart des neutrinos passent à travers, c'est pourquoi il a fallu 20 ans à claquer du carbone avec des protons pour obtenir des résultats.

Mais certains d'entre eux changent de saveur, devenant électron les neutrinos pendant ce court laps de temps avant qu'ils n'atteignent le réservoir d'eau. Lorsque cela se produit, ils frappent les atomes dans le réservoir et créent un électron au lieu d'un muon.

De plus, JPARC peut créer des muons anti les neutrinos aussi. La même chose se produit : certains fabriquent des muons dans le réservoir, et d'autres se transforment en antineutrinos électroniques et fabriquent des électrons.

Trouver de l'antimatière est facile si vous connaissez les indices à rechercher. Crédit : Shutterstock / Phil Plait

Si la symétrie matière/antimatière est vérifiée, le rapport muons/électrons générés par les neutrinos devrait être le même que pour les antineutrinos. Mais ce qu'ils ont trouvé, c'est que le rapport semble être différent ! Les neutrinos muoniques semblent se transformer en neutrinos électroniques plus que leurs homologues antimatière.

Très gros, si vrai.

Les lois de la physique font-elles la distinction entre matière et antimatière ? Cette expérience laisse entendre que la réponse est oui. Le problème c'est que ce n'est pas définitif. L'étalon-or est que, statistiquement, vous avez une confiance de 99,7% dans un résultat (appelé la norme 5-sigma). Ce résultat a un faible nombre de résultats, donnant une certitude statistique de « seulement » 95 % (3 sigma). C'est très provocateur, mais pas concret, et ne peut pas encore être qualifié de découverte.

Oh, mais c'est tellement alléchant.

Dans les équations diaboliques qui régissent le comportement des neutrinos testés se trouve un paramètre appelé delta-CP ; s'il y a une différence entre la matière et l'antimatière, c'est dans ce nombre. Il peut prendre beaucoup de valeurs en théorie, mais cette expérience semble en exclure environ la moitié en pratique. Cela réduit juste là où les scientifiques doivent regarder dans les équations pour voir comment l'Univers se comporte, pourquoi il préfère la matière à l'antimatière. Beaucoup plus de travail est nécessaire, mais ces résultats semblent au moins indiquer une direction à prendre, ce qui est plus que ce que nous avions auparavant.

Et hé : sur le chemin de la compréhension juste Pourquoi le cosmos aime un type de particule plutôt qu'un autre, nous pouvons comprendre comment faire l'un sur l'autre. Et puis qui sait où nous pourrons hardiment aller ?