Au moment du Big Bang, la matière et l’antimatière ont été créées en quantités égales. Chaque particule de matière avait son exact opposé — même masse, charge inverse. Quand matière et antimatière se rencontrent, elles s’annihilent mutuellement en énergie pure. Si les quantités étaient vraiment égales, l’univers entier aurait dû disparaître en une fraction de seconde après sa naissance. Vous ne devriez pas exister. Rien ne devrait exister. Et pourtant.

Ce que vous allez apprendre

• Pourquoi la symétrie parfaite matière-antimatière aurait condamné l’univers à ne jamais exister
• Quelle asymétrie infime a sauvé l’univers — et comment les physiciens l’ont mesurée
• Pourquoi ce problème est considéré comme l’une des questions ouvertes les plus fondamentales de la physique

Un univers qui n’aurait pas dû survivre

Les lois de la physique, telles que nous les comprenons, sont presque parfaitement symétriques entre matière et antimatière. Pour chaque électron, il existe un positron. Pour chaque proton, un antiproton. Créez de l’énergie suffisante — comme lors du Big Bang — et vous créez les deux en quantités égales.

Le problème est arithmétique. Si vous créez un milliard de particules de matière et un milliard de particules d’antimatière, elles s’annihilent toutes en photons. Résultat : un univers rempli de lumière et strictement rien d’autre. Pas d’atomes, pas de molécules, pas de galaxies, pas de vie.

L’univers observable contient de la matière. Donc quelque chose a perturbé cette symétrie parfaite.

Une asymétrie d’un milliardième

Des mesures publiées dans Physical Review Letters par des physiciens du CERN montrent que pour chaque milliard de paires matière-antimatière créées au Big Bang, il existait un excès d’une seule particule de matière.

Un milliardième d’asymétrie. C’est tout ce qui sépare l’existence de l’univers du néant absolu.

Cet excès infime — après l’annihilation totale de toutes les paires — a produit toute la matière de l’univers observable : les 2 000 milliards de galaxies, les étoiles, les planètes, et chaque atome de votre corps.

La violation CP : la clé du mystère

La physique théorique prédit que cette asymétrie doit être liée à une violation de la symétrie CP — une propriété qui stipule que les lois de la physique devraient être identiques si on remplace toutes les particules par leurs antiparticules et qu’on inverse l’espace.

Des violations de CP ont été observées expérimentalement dans le comportement des kaons et des mésons B — publiées dans Nature par les collaborations BaBar et Belle. Mais l’ampleur de ces violations est insuffisante pour expliquer l’asymétrie matière-antimatière observée dans l’univers.

Il manque quelque chose. Une source supplémentaire de violation CP que la physique standard ne prédit pas encore.

Des expériences menées au CERN avec le détecteur LHCb, publiées dans Nature Physics, cherchent activement cette violation manquante dans le comportement des quarks b. D’autres cherchent une asymétrie dans les neutrinos — des particules qui pourraient se comporter différemment de leurs antiparticules de façon spectaculaire.

La réponse à cette question — pourquoi il y a plus de matière que d’antimatière — est peut-être la découverte la plus fondamentale que la physique puisse encore faire.

Sources

• CP violation and matter-antimatter asymmetry — Physical Review Letters, CERN collaboration
• Observation of CP violation in B mesons — Nature, BaBar collaboration
• LHCb results on matter-antimatter asymmetry — Nature Physics, LHCb collaboration