L'univers est constitué d'un déséquilibre massif entre la matière et l'antimatière. L'antimatière et la matière sont en fait les mêmes, mais ont des charges opposées, mais il n'y a pratiquement pas d'antimatière dans l'univers observable, y compris les étoiles et autres galaxies. En théorie, il devrait y avoir de grandes quantités d'antimatière, mais l'univers observable est surtout de la matière

"Nous sommes ici parce qu'il y a plus de matière que d'antimatière dans l'univers, " déclare le professeur Jens Oluf Andersen du département de physique de l'Université norvégienne des sciences et de la technologie (NTNU). Ce grand déséquilibre entre la matière et l'antimatière est une matière tangible, y compris les formes de vie, existe, mais les scientifiques ne comprennent pas pourquoi.

La physique utilise un modèle standard pour expliquer et comprendre comment le monde est connecté. Le modèle standard est une théorie qui décrit toutes les particules que les scientifiques connaissent. Il représente les quarks, électrons, la particule du boson de Higgs et comment ils interagissent tous les uns avec les autres. Mais le modèle standard ne peut expliquer le fait que le monde se compose presque exclusivement de matière. Il doit donc y avoir quelque chose que nous ne comprenons pas encore.

Quand l'antimatière et la matière se rencontrent, ils annihilent, et le résultat est léger et rien d'autre. Étant donné des quantités égales de matière et d'antimatière, rien ne resterait une fois la réaction terminée. Tant qu'on ne sait pas pourquoi il y a plus de matière, nous ne pouvons pas savoir pourquoi les blocs de construction de quoi que ce soit d'autre existent, Soit. "C'est l'un des plus gros problèmes non résolus de la physique, " dit Andersen.

Les chercheurs appellent cela le problème de "l'asymétrie baryonique". Les baryons sont des particules subatomiques, y compris les protons et les neutrons. Tous les baryons ont un antibaryon correspondant, ce qui est mystérieusement rare. Le modèle standard de la physique explique plusieurs aspects des forces de la nature. Il explique comment les atomes deviennent des molécules, et il explique les particules qui composent les atomes.

"Le modèle standard de la physique comprend toutes les particules que nous connaissons. La particule la plus récente, le boson de Higgs, a été découvert en 2012 au CERN, dit Andersen. Avec cette découverte, une pièce importante s'est mise en place. Mais pas le dernier. Le modèle standard fonctionne parfaitement pour expliquer de grandes parties de l'univers, les chercheurs sont donc intrigués quand quelque chose ne va pas. L'asymétrie baryonique appartient à cette catégorie.

Les physiciens ont leurs théories pour expliquer pourquoi il y a plus de matière, et donc pourquoi nous existons indéniablement. "Une théorie est que c'est comme ça depuis le Big Bang, " dit Andersen. En d'autres termes, le déséquilibre entre matière et antimatière est une condition préalable fondamentale qui existe plus ou moins depuis le début.

Les quarks sont parmi les plus petits éléments constitutifs de la nature. Un excédent précoce de quarks par rapport aux antiquarks s'est propagé à mesure que de plus grandes unités se sont formées. Mais Andersen se moque de cette explication. "Nous ne sommes toujours pas satisfaits de cette idée, car cela ne nous dit pas grand chose, " il dit.

Alors pourquoi ce déséquilibre était-il présent dès le début ? Pourquoi les quarks étaient-ils initialement plus nombreux que les antiquarks ? "En principe, il est possible de générer une asymétrie dans le modèle standard de la physique, c'est-à-dire la différence entre la quantité de matière et d'antimatière. Mais nous rencontrons deux problèmes, " dit Andersen.

Tout d'abord, les scientifiques doivent remonter le temps, juste après le Big Bang quand tout a commencé, on parle de 10 picosecondes, ou 10 ^-11 quelques secondes après le Big Bang.

Le deuxième problème est que les températures doivent être d'environ 1 000 milliards de degrés Kelvin, ou 10 ¹⁵ degrés. C'est brûlant, considérez que la surface du soleil n'est que d'environ 5700 degrés. Indépendamment, il ne suffit pas d'expliquer la matière baryonique. "Ça ne peut pas marcher. Dans le modèle standard, nous n'avons pas assez de matière, " Andersen dit. " Le problème est que le saut dans la valeur attendue du champ de Higgs est trop petit, " ajoute-t-il au profit de ceux qui n'ont qu'un minimum de connaissances en physique.

"Ce n'est probablement pas seulement notre imagination qui impose des limites, mais beaucoup de possibilités existent, " dit Andersen. Ces possibilités doivent donc fonctionner avec le modèle standard. " Ce que nous recherchons vraiment, c'est une extension du modèle standard. Quelque chose qui s'y intègre."

Ni lui ni les autres physiciens ne doutent de la justesse du modèle standard. Le modèle est testé en continu au CERN et dans d'autres accélérateurs de particules. C'est juste que le modèle n'est pas encore complet. Andersen et ses collègues étudient diverses possibilités pour que le modèle s'adapte au déséquilibre entre la matière et l'antimatière. Les derniers résultats ont été récemment publiés dans Lettres d'examen physique .

"Réellement, on parle de transitions de phase, " dit Andersen. Son groupe envisage des processus de changement dans la matière, comme l'eau qui se transforme en vapeur ou en glace dans des conditions changeantes. Ils se demandent également si la matière est née d'une transition de phase électrofaible (EWPT) et a formé un surplus de baryons juste après le Big Bang. La transition de phase électrofaible se produit par la formation de bulles. La nouvelle phase s'agrandit, un peu comme des bulles d'eau, et s'empare de l'univers entier.

Andersen et ses collègues ont testé le modèle dit "deux doublets de Higgs" (2HDM), l'une des extensions les plus simples du modèle standard. Ils ont recherché des zones possibles où les bonnes conditions sont présentes pour créer de la matière. "Plusieurs scénarios existent pour la façon dont l'asymétrie baryonique a été créée. Nous avons étudié la transition de phase électrofaible à l'aide du modèle 2HDM. Cette transition de phase a lieu au début de notre univers, " dit Andersen.

Le processus est comparable à l'ébullition de l'eau. Lorsque l'eau atteint 100 degrés Celsius, des bulles de gaz se forment et montent. Ces bulles de gaz contiennent de la vapeur d'eau qui est la phase gazeuse. L'eau est un liquide. Lorsqu'il passe de la phase gazeuse à la phase liquide dans l'univers primitif au cours d'un processus au cours duquel l'univers se dilate et se refroidit, un surplus de quarks est produit par rapport aux antiquarks, générer l'asymétrie baryonique.

Enfin et surtout, les chercheurs font aussi des mathématiques. Pour que les modèles fonctionnent en synchronisation, les paramètres ou les valeurs numériques doivent s'adapter pour que les deux modèles soient exacts en même temps. Le travail consiste donc à trouver ces paramètres. Dans l'article le plus récent de Lettres d'examen physique , Andersen et ses collègues ont réduit le domaine mathématique dans lequel la matière peut être créée et en même temps correspondre aux deux modèles. Ils ont maintenant réduit les possibilités.

"Pour que le nouveau modèle (2HDM) corresponde à ce que nous savons déjà du CERN, par exemple, les paramètres du modèle ne peuvent pas être n'importe quoi. D'autre part, être capable de produire suffisamment d'asymétrie baryonique, les paramètres doivent également se situer dans une certaine plage. C'est pourquoi nous essayons de réduire la plage de paramètres. Mais c'est encore loin, " dit Andersen. En tout cas, les chercheurs ont fait un peu de progrès pour comprendre pourquoi nous et tout le reste sommes ici.