C'est l'une des plus grandes énigmes de la physique. Toutes les particules qui composent la matière qui nous entoure, tels électrons et protons, ont des versions d'antimatière qui sont presque identiques, mais avec des propriétés en miroir telles que la charge électrique opposée. Quand une antimatière et une particule de matière se rencontrent, ils s'annihilent en un éclair d'énergie.

Si l'antimatière et la matière sont vraiment identiques mais se reflètent l'une l'autre, ils auraient dû être produits en quantités égales dans le Big Bang. Le problème, c'est que cela aurait fait tout annihiler. Mais aujourd'hui, il n'y a presque plus d'antimatière dans l'univers - elle n'apparaît que dans certaines désintégrations radioactives et dans une petite fraction des rayons cosmiques. Alors que lui est-il arrivé ? En utilisant l'expérience LHCb au CERN pour étudier la différence entre la matière et l'antimatière, nous avons découvert une nouvelle façon dont cette différence peut apparaître.

L'existence de l'antimatière a été prédite par l'équation du physicien Paul Dirac décrivant le mouvement des électrons en 1928. Au début, il n'était pas clair s'il s'agissait simplement d'une bizarrerie mathématique ou d'une description d'une particule réelle. Mais en 1932, Carl Anderson a découvert un partenaire antimatière de l'électron, le positon, alors qu'il étudiait les rayons cosmiques qui pleuvent sur Terre depuis l'espace. Au cours des décennies suivantes, les physiciens ont découvert que toutes les particules de matière ont des partenaires antimatière.

Les scientifiques pensent que dans l'état très chaud et dense peu après le Big Bang, il doit y avoir eu des processus qui ont privilégié la matière à l'antimatière. Cela a créé un petit surplus de matière, et comme l'univers se refroidissait, toute l'antimatière a été détruite, ou anéanti, par une quantité égale de matière, laissant un petit surplus de matière. Et c'est ce surplus qui compose tout ce que nous voyons dans l'univers aujourd'hui.

Les processus exacts qui ont causé l'excédent ne sont pas clairs, et les physiciens sont à l'affût depuis des décennies.

Asymétrie connue

Le comportement des quarks, qui sont les éléments constitutifs fondamentaux de la matière avec les leptons, peut faire la lumière sur la différence entre la matière et l'antimatière. Les quarks sont de toutes sortes, ou "saveurs", dit haut, vers le bas, charme, étrange, bas et haut plus six anti-quarks correspondants.

Les quarks up et down sont ce qui compose les protons et les neutrons dans les noyaux de la matière ordinaire, et les autres quarks peuvent être produits par des processus à haute énergie, par exemple par collision de particules dans des accélérateurs tels que le Grand collisionneur de hadrons du CERN.

Les particules constituées d'un quark et d'un anti-quark sont appelées mésons, et il y a quatre mésons neutres (B ⁰ , B ⁰ , ré ⁰ et K ⁰ ) qui présentent un comportement fascinant. Ils peuvent se transformer spontanément en leur partenaire antiparticulaire puis redevenir, un phénomène qui a été observé pour la première fois dans les années 1960. Comme ils sont instables, ils "se désintégreront" - se désintégreront - en d'autres particules plus stables à un moment donné au cours de leur oscillation. Cette désintégration se produit légèrement différemment pour les mésons par rapport aux anti-mésons, ce qui, combiné à l'oscillation, signifie que le taux de décroissance varie dans le temps.

Les règles pour les oscillations et les désintégrations sont données par un cadre théorique appelé mécanisme Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM). Il prédit qu'il y a une différence dans le comportement de la matière et de l'antimatière, mais un trop petit pour générer le surplus de matière dans l'univers primitif nécessaire pour expliquer l'abondance que nous voyons aujourd'hui.

Cela indique qu'il y a quelque chose que nous ne comprenons pas et que l'étude de ce sujet peut remettre en question certaines de nos théories les plus fondamentales en physique.

Nouvelle physique ?

Notre résultat récent de l'expérience LHCb est une étude de B neutre ⁰ mésons, en regardant leurs désintégrations en paires de mésons K chargés. Le B ⁰ Les mésons ont été créés en entrant en collision des protons avec d'autres protons dans le Grand collisionneur de hadrons où ils ont oscillé dans leur anti-méson et en arrière trois billions de fois par seconde. Les collisions ont également créé des anti-B 0 des mésons qui oscillent de la même manière, nous donnant des échantillons de mésons et d'anti-mésons qui pourraient être comparés.

Nous avons compté le nombre de désintégrations des deux échantillons et comparé les deux nombres, pour voir comment cette différence variait au fur et à mesure que l'oscillation progressait. Il y avait une légère différence, avec plus de désintégrations pour l'un des B ⁰ mésons. Et pour la première fois pour B ⁰ mésons, nous avons observé que la différence de décroissance, ou asymétrie, varie en fonction de l'oscillation entre le B ⁰ méson et anti-méson.

En plus d'être une étape importante dans l'étude des différences matière-antimatière, nous avons également pu mesurer la taille des asymétries. Cela peut se traduire par des mesures de plusieurs paramètres de la théorie sous-jacente. La comparaison des résultats avec d'autres mesures fournit un contrôle de cohérence, pour voir si la théorie actuellement acceptée est une description correcte de la nature. Puisque la faible préférence de la matière sur l'antimatière que nous observons à l'échelle microscopique ne peut pas expliquer l'abondance écrasante de matière que nous observons dans l'univers, il est probable que notre compréhension actuelle soit une approximation d'une théorie plus fondamentale.

L'étude de ce mécanisme dont nous savons qu'il peut générer des asymétries matière-antimatière, en le sondant sous différents angles, peut nous dire où est le problème. Étudier le monde à la plus petite échelle est notre meilleure chance de comprendre ce que nous voyons à la plus grande échelle.

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