La région de Savoie en France est surtout connue pour ses pistes de ski bordées de sapins et ses villages alpins pittoresques. Moins connu est le fait que, au fond de certaines de ces pentes, les scientifiques enquêtent sur l'un des plus grands mystères de la physique :l'origine de la matière.

Le tunnel routier du Fréjus dans la région assure le trafic entre la ville française de Modane et la ville italienne de Bardonecchia. Faites un tour dans le tunnel, et vous remarquerez peut-être – au milieu – une porte verte sans prétention dans le mur du tunnel. Cette porte métallique robuste sépare l'étouffant, air infusé de diesel du tunnel routier du propre, atmosphère contrôlée du Laboratoire Souterraine de Modane, Le laboratoire souterrain le plus profond d'Europe qui abrite une expérience de physique des particules appelée SuperNEMO.

Le détecteur SuperNEMO, environ six mètres de long, quatre mètres de haut et trois mètres de large, se trouve dans une salle blanche étroitement contrôlée pour le protéger de la contamination par les quantités infimes de radioactivité naturelle présente dans la saleté et la poussière. La montagne elle-même offre une protection contre les rayons cosmiques qui bombardent en permanence la surface de notre planète. Une telle protection est nécessaire, puisque le travail de SuperNEMO est de surveiller plus de sept kilogrammes de sélénium et de rechercher l'une des formes de radioactivité les plus rares qui soit :la désintégration double bêta.

Tous les éléments radioactifs sont instables et se désintègrent (séparés) jusqu'à un état stable en raison des changements dans le noyau atomique (qui se compose de protons et de neutrons). La désintégration double bêta est un processus par lequel deux neutrons d'un noyau de sélénium se désintègrent simultanément en protons, en émettant deux électrons et deux particules appelées antineutrinos.

Les antineutrinos sont un exemple d'« antimatière ». Toutes les particules de matière ont des versions antiparticulaires d'elles-mêmes - presque identiques mais avec une charge opposée. Lorsqu'une particule et une antiparticule se rencontrent, ils s'annihilent en un éclair d'énergie.

Particules énigmatiques

Les antineutrinos sont déroutants. Prends la façon dont ils tournent, par exemple. De nombreuses particules tournent en se déplaçant, mais les neutrinos ne semblent tourner que dans un sens. Tous les neutrinos tournent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre lorsqu'ils se déplacent - et tous les antineutrinos tournent dans le sens des aiguilles d'une montre. Nous n'avons aucune idée de pourquoi c'est le cas.

Ensuite, il y a leur masse :les neutrinos sont nombreux, beaucoup plus légère que toute autre particule avec une masse - tellement plus légère que nous n'avons pas encore pu mesurer directement leur petite masse. Le neutrino est une valeur aberrante parmi les particules - et lorsque les scientifiques voient des valeurs aberrantes, nous ne pouvons pas nous empêcher de soupçonner qu'il y a une signification plus profonde derrière l'incohérence qui pourrait révéler une vérité profonde sur les lois de la nature. Les germes d'une théorie pour expliquer les nombreuses excentricités du neutrino résident dans une observation relativement banale :contrairement à d'autres particules, le neutrino n'a pas de charge électrique.

Mais sans charge électrique, en quoi l'antineutrino diffère-t-il du neutrino ? Il y a certainement une différence. Les types de neutrinos et d'antineutrinos que SuperNEMO examine sont de type électronique. Lorsque les neutrinos interagissent avec la matière, ils produisent des électrons chargés négativement, mais lorsque les antineutrinos interagissent avec la matière, ils produisent des positons chargés positivement, l'antiparticule de l'électron. Mais avant que le neutrino ou l'antineutrino interagisse, comment sait-il lequel c'est ?

Cette question profonde a conduit le physicien italien Ettore Majorana à se demander si le neutrino et l'antineutrino pouvaient en fait être exactement la même particule, juste tourner dans des directions opposées.

Si les antineutrinos créés dans la désintégration double bêta recherchée par SuperNEMO ont la capacité de se comporter comme des neutrinos, alors juste de temps en temps l'un d'entre eux pourrait le faire. Cela signifierait que vous aviez un antineutrino et un neutrino l'un à côté de l'autre – ce qui signifierait qu'ils pourraient s'annihiler. Si cela devait arriver, les deux électrons produits dans la désintégration double bêta obtiendraient un regain d'énergie supplémentaire de l'annihilation - et c'est ce que recherche SuperNEMO :un petit coup d'énergie qui nous obligerait à repenser la relation entre la matière et l'antimatière.

La patience est la clé de cette recherche. La demi-vie de la désintégration double bêta du sélénium - c'est le temps qu'il faudrait attendre avant qu'un atome ait 50% de chances de se désintégrer - est de 10 ²⁰ années. C'est un 1 avec 20 zéros après :prenez la durée de vie de l'univers et ajoutez dix autres zéros. Et même lorsqu'une double désintégration bêta se produit, la chance que les deux antineutrinos s'annihilent est minime – si cela arrive même pas du tout. Nous compensons cela en ayant beaucoup d'atomes de sélénium dans notre détecteur, mais nous ne recherchons toujours qu'une ou deux de ces désintégrations chaque année.

L'origine de la matière

Si nous observons une telle désintégration radioactive, nous devrions réécrire le modèle standard de la physique des particules. Ce serait une énorme découverte en soi. Le modèle standard contient des règles strictes, appelées lois de conservation, sur ce qui peut et ne peut pas se produire dans les désintégrations et les interactions des particules. Si nos deux antineutrinos s'annihilent (car l'un d'eux s'est comporté comme un neutrino à l'époque), alors la désintégration double bêta produirait deux électrons semblables à de la matière et aucune antimatière pour les équilibrer. Ce n'est pas autorisé dans le modèle standard, ce qui exige que la matière et l'antimatière soient toujours produites en quantités égales.

Cela nous amène à l'une des questions les plus profondes de la physique :pourquoi y a-t-il plus de matière que d'antimatière dans l'univers ? Vous pourriez penser que nous connaissons déjà la réponse à cette question :le Big Bang a produit toute la matière. Bien, oui c'est fait, mais il aurait dû également produire une quantité égale d'antimatière. Alors pourquoi toute la matière et l'antimatière ne se sont-elles pas annihilées pour ne laisser qu'un océan de lumière ?

Si le neutrino et l'antineutrino sont bien la même particule, le modèle standard révisé qui en résulte vous permettrait d'ajouter plus de ces particules de type neutrino dans votre modèle. Certaines de ces particules de type neutrino pourraient être lourdes plutôt que légères; et je veux dire très lourds - si lourds que le Large Hadron Collider n'a pas été en mesure de les produire, et si lourdes en fait qu'elles n'étaient communes que par temps chaud, conditions denses du tout premier univers.

Étant donné que ce modèle standard révisé a un mécanisme pour briser la symétrie entre la matière et l'antimatière, ces neutrinos super lourds ont également la capacité de "choisir" de se désintégrer en matière plutôt qu'en antimatière, fournissant à l'univers primitif la matière supplémentaire que nous voyons maintenant. Si ce n'est pas le cas, toute la matière et l'antimatière se seraient annihilées et il n'y aurait plus d'étoiles, les planètes, et nous.

Alors si jamais vous êtes en Savoie, profiter d'un après-ski après une journée sur les pistes, ayez une pensée pour le détecteur SuperNEMO - et les physiciens des particules comme moi, au fond de toi, attendre patiemment cette désintégration radioactive qui pourrait bien expliquer comment vous êtes arrivé là.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.