Mais où est donc passée l'antimatière?

Résumé d'un article tiré de L'univers: des faits aux théories, par Franck Wilczek.



La matière qui constitue tout ce qui nous entoure est appariée à l'antimatière. Dans le monde corpusculaire, cela se traduit, pour chaque particule, dans l'existence d'une antiparticule, de charge opposée. Cette symétrie est indispensable à l'unification de la relativité et de la mécanique quantique, théories qui conduiraient dans le cas d'une unification, au postulat d'une « explication »plus détaillée de l'origine de l'Univers, en particulier dans le cadre du Big Bang [on pourrait dépasser le temps de Planck] Il faut savoir que depuis la découverte dans les accélérateurs des antiparticules (1932: découverte du positon), la moisson a été grande. Or une constatation fondamentale a été faire: toutes les collisions aboutissent à la création égale de matière et d'antimatière. On ne distingue aucune préférence. Il n'en demeure pas moins qu'on ne rencontre l'antimatière que dans les laboratoires expérimentaux. Et c'est encore heureux, car s'il y avait autant de matière que d'antimatière, nous ne serions probablement pas là pour en parler. N'oublions pas qu'une particule et son antiparticule s'annihilent à leur rencontre en convertissant la totalité de leur masse en énergie, selon la célèbre formule E = M.c², ex.: e+ = e- > g . Cependant, en contradiction avec ce qui précède, les conclusions de recherches sur l'Univers primordial signalent que, lorsque celui-ci était extrêmement chaud et dense, il y avait autant de matière que d'antimatière. D'où annihilation en permanence.

Avant que l'Univers atteigne l'âge de 10-30s, des fluctuations violentes provoquent une asymétrie entre la matière et l'antimatière, asymétrie qui a probablement perduré jusqu'à nos jours. On ne peut toutefois pas être affirmatif sur la question: il est possible que, séparés par de grands espaces vides, des galaxies de matière et des galaxies d'antimatière se partagent l'Univers (c'est du moins l'idée classique sur le sujet, qui a, à juste titre, été remise en question par J.P. Petit dans le modèle cosmologique qu'il propose, le Twin Bang.).

Les preuves semblent pourtant, pour ce qui nous entoure, tendre vers un univers de matière: toutes les particules extraterrestre qui nous parviennent sont de la matière, que ce soient des protons, des électrons ou encore des noyaux atomiques. C'est ainsi qu'on est quasiment certain que toutes les galaxies qui environnent la Voie Lactée sont de matière. Mais pour ce qui est des galaxies plus lointaines, on ne peut déterminer leur nature: les observer, c'est capter les photons qu'elles émettent, or le photon est sa propre antiparticule (on peut dire: il n'en a pas, mais ça ne résout pas tout).

De même pour l'étude spectrale: les raies d'émissions caractéristiques de l'hydrogène sont fondamentalement identiques que celles de l'anti-hydrogène.


Les seuls moyens dont nous disposions sont les suivants:

Les faits démontrent en dernier ressort que la matière, visiblement, prévaut sur l'antimatière. Il faut donc y trouver une logique, et tenter d'expliquer cette asymétrie. Pour l'instant, elle n'est appréhendée que dans le cadre du Big Bang. Pour la comprendre, il faut donc se placer dans cette théorie de l'Univers primordial. En 1930, Edwin Hubble découvrit la récession des galaxies, de laquelle on déduisit très vite une expansion de celui-ci. Mais cela induisait autre chose: à une époque reculée dans le temps, les galaxies se superposaient dans un point extrêmement petit, donc dense, donc chaud. Au moment de l'explosion primordiale, on suggère ab abstracto que densité et température étaient infinies. Suite à l'explosion, elles baissèrent beaucoup, sans jamais descendre en dessois de 10 10 °C durant la première minute, ce qui excluait toute nucléosynthèse: aucun atome n'existait encore, les particules élémentaires constituaient la « soupe primitive ». Poursuivant son expansion provoquée par l'explosion primordiale, l'Univers atteint, aux environs de la troisième minute, une température favorable à la formation d'atomes, notamment les atomes d'hélium par combinaisons des protons et des neutrons. Les protons inutilisés servirent à la synthèse de l'hydrogène (ce qui explique l'abondance de ces deux éléments dans l'Univers).

Ce n'est qu'après 10 000 ans d'expansion que l'Univers acquiert une température rendant possible la combinaison des particules chargées aux atomes; dès lors matière et rayonnement électromagnétique se séparent. Ce rayonnement, qui a suivi l'expansion de l'Univers depuis, s'est sans cesse refroidi. On peut objecter qu'un rayonnement ne refroidit pas, ni n'a de température, certes. Mais c'est de l'énergie dont on parle: un gaz chaud en expansion se refroidira, tout comme les crêtes d'une onde s'éloigneront en expansion, d'où affaiblissement énergétique du photon. C'est en 1964 qu'on a découvert l'isotropie de ce rayonnement, par ailleurs accident d'ailleurs. En fait, on travaillait sur un satellite, et on nota que le rayonnement correspondait à un gaz de photons qui remplit l'Univers, avec une densité d'environ 300 photons par centimètre cube. La température de ce rayonnement est à 2.7 K, ce qui est très peu par rapport aux 10 000 degrés de découplage.

Cette banale observation, prouvant que l'observation rattrape parfois la théorie, a encouragé les astrophysiciens à ne pas craindre de remonter jusqu'à l'Univers primordial.

L'Univers, à son origine, sera supposé avoir connu les mêmes lois physiques que maintenant, quoique l'énergie de ses particules aient interagi différemment que ce que l'on peut voir dans les accélérateurs de particules. Cet inchangé suppose les réflexions suivantes:

1- Si l'on considère la charge électrique comme un nombre quantique pour lequel le proton se voit attribuer +1, l'électron –1, et le photon 0 (etc.), les interactions conservent le nombre quantique total de charge.

2- Cette conservation n'interdit pas un nombre différent de particules [en plus ou en moins].

Wilczek explique: « Un électron et un positon peuvent s'annihiler l'un l'autre, ce qui diminue de deux le nombre de particules, mais la charge totale reste nulle, après comme avant l'annihilation. Le processus inverse, dans lequel un électron et un positon sont créés à partir d'un état de pure énergie obéit pour les mêmes raisons à la loi de conservation. » Pourquoi s'attarder sur de telles considérations?

En fait, c'est parce que le nombre baryonique qu'est le nombre quantique est très lié à l'asymétrie.

Parmi la famille baryonique, les très distingués protons et neutrons. Les baryons jouent donc un rôle important dans le monde de la matière. On leur apparente le nombre baryonique +1. Celui-ci est égal à –1 pour l'antiproton ou l'antineutron. Toutes les autres particules ont ce nombre égal à 0. Ce nombre baryonique obéit aussi à la loi de conservation: deux protons de n bar +2 collisionneront pour donner par exemple 4 protons, 1 neutron, 3 antiprotons et plusieurs pions. Il faut néanmoins préciser qu'on soupçonne sérieusement que cette conservation baryonique est occasionnellement transgressée. C'est là qu'intervient la désintégration du proton, garantie du respect de cette loi: le proton, étant la particule la plus légère de nb+1, ne peut se désintégrer en particules sans violer cette loi de conservation.

Or la désintégration du proton, malgré les observations, n'a jamais été obervée. En supposant une durée de vie de 10e31 années, dix protons noyés dans cent tonnes de matière (soit un échantillon de 10e31 protons) se désintégreraient chaque année. Hypothèse non vérifiée par l'observation, toutefois.

Cela n'arrange rien, car si l'Univers présente un excès de matière, c'est que le nombre baryonique est positif... ce qui viole au passage la loi de conservation.

Vers la première centième de seconde de l'Univers, le nombre de particules créées lors des colisions équilibrait le nombre des désintégrations. Cet Univers de 10e14°C avait une densité de un milliard de protons pour un milliard d'antiprotons pour chaque proton de l'Univers d'aujourd'hui.

En considérant le même nombre baryonique qu'actuellement, le rapport des protons aux antiprotons devait probablement être de 1 000 000 001 sur 1 000 000 000. L'asymétrie était donc très faible. Mais il nous faut comprendre ce déséquilibre, si tant est qu'on puisse, or rien ,aujourd'hui, n'est établi.

Il faudrait savoir si vraiment l'Univers, initialement, a connu une symétrie entre la matière et l'antimatière, ou bien si le nombre baryonique a été violé à un certain moment. Wilczek fournit une explication fort complexe: cette asymétrie concerne les propriétés fondamentales de l'interaction forte et faible ( Je ne viserai pas l'exhaustivité, et prendrai l'hypothèse la plus vraisemblable à mes yeux).

On a dit que, à chaque particule, correspond son antiparticule. C'est exact. Dans les interactions que nous décrit le diagramme de Feynmann, en principe, à chaque désintégration la symétrie s'avère être une réalité: la désintégration, réfléchie dans un "miroir", donnera exactement l'inverse: chaque particule est remplacée par son antiparticule. Or ce n'est pas le cas: la symétrie, ou plutôt l'asymétrie, a une tendance gauche, pour le monde des particules. Le rapport est de 1 pour 1000. Ce schéma le représente plus ou moins:

La violation de conservation de la partité fut la première découverte qui montra que les lois de la physique

tiennent le compte de la distinction entre matière et antimatière. La conservation de parité (notée P) signifie que toutprocessus physique resterait invariant si on le transformait en son image réfléchie dans un miroir. Le processus représenté ici est la désintégration d'un en e-, (antimatière de type électronique) et (neutrino de type

muonique). L'électron est gauche. Dans l'image réfléchie, l'électron est droit. En fait, la parité n'est pas

conservée: les électrons gauches apparaissent 1000 fois plus souvent que les électrons droits.

La loi de conservation de CP (charge/parité) propres à une symétrie qui pourrait être observée même quand la conservation de la parité est violée. Dans la conservation de CP, la symétrie brisée par la réflexion dans un miroir pourrait être restaurée en remplaçant toutes les particules par leurs antiparticules. La conservation de CP se vrifie lors de la désintégration du muon. Les désintégrations schématisées à droite et à gauche ont la même fréquence.

Seulement voilà:

La violation de Cp fut observée dans la désintégration du méson K neutre à longue durée de vie (Kl). La désintégraion en antiparticules p+, e- et anti-ne (le méson K neutre à longue durée de vie est sa propre antiparticule). Si la symétrie CP n'était jamais brisée, la différence entre le nombre des baryons et le nombre des antibaryons serait fixe et aucune symétrie ne pourrait apparaître entre matière et antimatière. Autrement dit on assiste à une asymétrie entre la matière et l'antimatière parce que la loi de conservation charge parité est circonstanciellement violée (cas du méson K neutre). Pourquoi? Si j'ai bien compris, ce serait parce que certaines particules sont leur propre antiparticule !

Pour se reprendre plus clairement:

K -----> p - + e+ + ne

et K ------> p + + e- + anti-ne

La brisure de symétrie semble donc résulter de cette étrange caractéristique de certaines particules de posséder une double charge et une double parité. Toujours est-il que, si cette assertion résoud provisoirement (et hypothétiquement) le problème soulevé par la question: "Où est passée l'antimatière?", elle n'explique pas le pourquoi final. Car: pourquoi cette singulière caractéristique?

>> Ainsi donc, pour expliquer l'origine de notre Univers, nous recourons à la théorie du Big Bang, et pour expliquer l'origine de celui-ci, nous recourons à la fluctuation - très quantique - du vide. Cette fluctuation ne conduit cependant pas à l'effet que nous souhaitons démontrer, alors nous envisageons une brisure de symétrie, due à une violation de conservation de la charge et de la parité dans des désintégrations, mais pour expliquer ce dernier problème... pas assez d'imagination... Le serpent se mord la queue.Wilczek conclut ainsi:

"La réponse à la veille question: "Pourquoi y a-t-il quelque chose plutôt que rien?" serait alors que le "rien" est instable."