Pourquoi existons-nous ? C'est sans doute la question la plus profonde qui soit et qui peut sembler complètement en dehors de la portée de la physique des particules. Mais notre nouvelle expérience au Grand collisionneur de hadrons du CERN nous a permis de faire un pas de plus vers le découvrir.

Pour comprendre pourquoi, remontons dans le temps environ 13,8 milliards d'années jusqu'au Big Bang. Cet événement a produit des quantités égales de la matière dont vous êtes fait et quelque chose appelé antimatière. On pense que chaque particule a un compagnon antimatière qui est pratiquement identique à elle-même, mais avec la charge opposée. Lorsqu'une particule et son antiparticule se rencontrent, ils s'annihilent l'un l'autre – disparaissent dans un éclat de lumière.

Pourquoi l'univers que nous voyons aujourd'hui est entièrement fait de matière est l'un des plus grands mystères de la physique moderne. S'il y avait déjà eu une quantité égale d'antimatière, tout dans l'univers aurait été anéanti. Nos recherches ont dévoilé une nouvelle source de cette asymétrie entre matière et antimatière.

L'antimatière a été postulée pour la première fois par Arthur Schuster en 1896, donné une assise théorique par Paul Dirac en 1928, et découvert sous forme d'anti-électrons, positrons doublés, par Carl Anderson en 1932. Les positons se produisent dans les processus radioactifs naturels, comme dans la désintégration du Potassium-40. Cela signifie que votre banane moyenne (qui contient du potassium) émet un positron toutes les 75 minutes. Ceux-ci s'annihilent ensuite avec des électrons de matière pour produire de la lumière. Les applications médicales telles que les scanners TEP produisent de l'antimatière dans le même processus.

Les éléments constitutifs fondamentaux de la matière qui composent les atomes sont des particules élémentaires appelées quarks et leptons. Il existe six sortes de quarks :up, vers le bas, étrange, charme, en bas et en haut. De la même manière, il y a six leptons :l'électron, muon, tau et les trois neutrinos. Il existe également des copies d'antimatière de ces douze particules qui ne diffèrent que par leur charge.

Les particules d'antimatière devraient en principe être des images miroir parfaites de leurs compagnons normaux. Mais les expériences montrent que ce n'est pas toujours le cas. Prenons par exemple les particules appelées mésons, qui sont constitués d'un quark et d'un anti-quark. Les mésons neutres ont une caractéristique fascinante :ils peuvent se transformer spontanément en leur anti-méson et vice versa. Dans ce processus, le quark se transforme en anti-quark ou l'anti-quark se transforme en quark. Mais des expériences ont montré que cela peut se produire davantage dans un sens que dans l'autre – créant plus de matière que d'antimatière au fil du temps.

La troisième fois est un charme

Parmi les particules contenant des quarks, seuls ceux comprenant les quarks étranges et bottom ont été trouvés pour présenter de telles asymétries – et ce furent des découvertes extrêmement importantes. La toute première observation d'asymétrie impliquant des particules étranges en 1964 a permis aux théoriciens de prédire l'existence de six quarks – à une époque où l'on n'en connaissait que trois. La découverte de l'asymétrie dans les particules inférieures en 2001 a été la confirmation finale du mécanisme qui a conduit à l'image des six quarks. Les deux découvertes ont conduit à des prix Nobel.

Le quark étrange et le quark bottom portent tous deux une charge électrique négative. Le seul quark chargé positivement qui, en théorie, devrait être capable de former des particules pouvant présenter une asymétrie matière-antimatière est le charme. La théorie suggère que si c'est le cas, alors l'effet devrait être minime et difficile à détecter.

Mais l'expérience LHCb a maintenant réussi à observer pour la première fois une telle asymétrie dans des particules appelées méson D – qui sont composées de quarks charmés. Ceci est rendu possible par la quantité sans précédent de particules de charme produites directement dans les collisions du LHC, dont j'ai été le pionnier il y a une dizaine d'années. Le résultat indique que la probabilité qu'il s'agisse d'une fluctuation statistique est d'environ 50 sur un milliard.

Si cette asymétrie ne provient pas du même mécanisme provoquant les asymétries des quarks étrange et bottom, cela laisse place à de nouvelles sources d'asymétrie matière-antimatière qui peuvent s'ajouter à l'asymétrie totale de l'univers primitif. Et c'est important car les quelques cas connus d'asymétrie ne peuvent pas expliquer pourquoi l'univers contient autant de matière. La découverte du charme à elle seule ne suffira pas à combler cette lacune, mais c'est une pièce essentielle du puzzle dans la compréhension des interactions des particules fondamentales.

Prochaines étapes

La découverte sera suivie d'un nombre accru de travaux théoriques, qui aident à interpréter le résultat. Mais plus important, il décrira d'autres tests pour approfondir la compréhension suite à notre découverte - avec un certain nombre de ces tests déjà en cours.

Au cours de la décennie à venir, l'expérience LHCb améliorée augmentera la sensibilité pour ce type de mesures. Ceci sera complété par l'expérience Belle II basée au Japon, qui commence tout juste à fonctionner. Ce sont des perspectives intéressantes pour la recherche sur l'asymétrie matière-antimatière.

L'antimatière est également au cœur d'un certain nombre d'autres expérimentations. Des antiatomes entiers sont produits au décélérateur d'antiprotons du CERN, qui alimente un certain nombre d'expériences réalisant des mesures de haute précision. L'expérience AMS-2 à bord de la Station spatiale internationale est à la recherche d'antimatière d'origine cosmique. Et un certain nombre d'expériences actuelles et futures aborderont la question de savoir s'il existe une asymétrie antimatière-matière parmi les neutrinos.

Alors que nous ne pouvons toujours pas résoudre complètement le mystère de l'asymétrie matière-antimatière de l'univers, notre dernière découverte a ouvert la porte à une ère de mesures de précision qui ont le potentiel de découvrir des phénomènes encore inconnus. Il y a tout lieu d'être optimiste sur le fait que la physique sera un jour en mesure d'expliquer pourquoi nous sommes ici.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.