Nous existons à cause d’une erreur. Ou plutôt, pour une petite imperfection. N’est-il pas poétique de penser que tout ce que nous savons (des étoiles aux montagnes, des chiens aux sandwichs au jambon) est là parce que quelque chose entre la matière et l’antimatière n’a pas fonctionné comme prévu ? C'est pourtant exactement ce que les scientifiques de l' CERN ils tentent de nous le prouver, avec une obstination presque touchante.
Le dernier chapitre de cette recherche vient de La Thuile, dans la belle Vallée d'Aoste, en Italie, où des physiciens ont annoncé qu'ils avaient finalement observé une asymétrie subtile mais significative dans le comportement des particules appelées baryons beauté-lambda et leurs jumeaux antimatière. Une petite différence qui pourrait expliquer l’un des plus grands mystères de l’univers : pourquoi nous sommes ici, plutôt que pas du tout.
Le mystère de la « relation compliquée » entre matière et antimatière
D’après tout ce que nous savons de la physique, le Big Bang aurait dû produire de la matière et de l’antimatière en quantités exactement égales. Une belle fête d'ouverture d'univers avec un nombre égal d'invités pour les deux factions, pour ainsi dire. Mais regardez autour de vous : l’antimatière a pratiquement « disparu », tandis que la matière a formé tout ce que nous voyons aujourd’hui. Des galaxies aux planètes, du café du matin aux chatons sur le Web, tout est fait de matière.
J’aime à penser à cette situation comme à une élection cosmique où un candidat a gagné avec 100 % des voix. Un résultat qui ferait sourciller plus d'un observateur international, vous ne trouvez pas ? La nature, de toute évidence, n’est pas une grande démocrate.
Quand les particules brisent le miroir
L’explication de cette apparente injustice cosmique pourrait résider dans ce qu’on appelle la « violation de CP ». Imaginez un univers parfaitement symétrique, où chaque particule possède une antiparticule jumelle aux caractéristiques exactement opposées. Si vous regardiez à travers un miroir et inversiez toutes les charges électriques, les lois de la physique devraient apparaître exactement les mêmes. C’est ce que les physiciens appellent la « symétrie CP ».
Mais la nature, avec sa tendance typique à ruiner les belles théories, a décidé que cette symétrie n’était pas sacrée. Les particules et les antiparticules ne se comportent pas exactement de la même manière, et cette petite différence a peut-être fait pencher la balance en faveur de la matière dans les premiers instants après le Big Bang.
L'antimatière, pour autant que nous le sachions, n'est rien d'autre que de la matière avec un signe moins devant. Comme ce parent qui fait toujours le contraire de ce qu'on lui dit, par principe. Fascinant en théorie, mais plutôt inconfortable à avoir sous la main, surtout si vous vous souciez de votre intégrité moléculaire.
La percée dans la beauté : les baryons lambda
Jusqu'à présent, la violation de CP n'avait été observée que dans les mésons, des particules composées d'un quark et d'un antiquark. Vincenzo Vagnoni, porte-parole deL'expérience LHCb s'est tenue le 24 mars, explique pourquoi il a fallu si longtemps pour observer le même phénomène dans les baryons :
« La raison pour laquelle il a fallu plus de temps pour observer la violation de CP dans les baryons que dans les mésons est due à l'ampleur de l'effet et aux données disponibles. Nous avions besoin d'une machine comme le LHC capable de produire un nombre suffisamment important de baryons de beauté lambda et de leurs homologues en antimatière. »
Il lambda du fond baryonique (également appelé « beauté ») C'est comme un cousin plus lourd et de courte durée de vie des protons et des neutrons qui composent les atomes. Il est composé d'un quark up, d'un quark down et d'un quark beauté. Je sais, les physiciens des particules ne sont pas connus pour leurs noms d'origine, mais ils compensent par leur précision mathématique.
Vous savez quand vous comptez méticuleusement vos reçus pour savoir où est passé votre argent à la fin du mois ? Ici, les physiciens de la CERN ils ont fait quelque chose de similaire, mais avec des particules subatomiques. Ils ont analysé d'énormes quantités de données collectées par le détecteur LHCb lors des première et deuxième périodes d'exploitation du LHC (2009 à 2013 et 2015 à 2018), à la recherche de différences dans la façon dont les baryons de beauté lambda et leurs jumeaux d'antimatière se désintègrent en particules plus légères.
Les chiffres qui changent tout dans la danse entre matière et antimatière
La découverte est subtile, mais significative : la différence entre le nombre de désintégrations Λb et anti-Λb, divisée par la somme des deux, diffère de zéro de 2,45 %, avec une incertitude d'environ 0,47 %. Statistiquement parlant, le résultat diffère de zéro de 5,2 écarts types, dépassant le seuil nécessaire pour affirmer l'existence d'une violation de CP dans cette désintégration baryonique.
Pour les non-initiés, c'est comme remarquer que dans un jeu de cartes parfaitement mélangé, les cartes rouges sortent légèrement plus souvent que les noirs. Une différence si petite que vous ne la remarquerez peut-être pas lors d'une soirée poker, mais elle devient évidente si vous jouez suffisamment de mains. Et lorsqu’il s’agit de l’univers, même la plus petite asymétrie peut avoir d’énormes conséquences lorsqu’elle est multipliée sur des milliards d’années.
J’aime imaginer l’univers primitif comme une salle de bal cosmique géante, où particules et antiparticules dansent frénétiquement, s’annihilant les unes les autres lorsqu’elles se rencontrent. Si la danse était parfaitement symétrique, il ne resterait plus personne sur la piste de danse à la fin. Mais cette petite imperfection dans la chorégraphie a laissé certains danseurs sans partenaires, formant tout ce que nous voyons aujourd'hui. Un malheur providentiel.
Au-delà du modèle standard avec la matière et l'antimatière
Le plus intriguant est que même cette violation de CP, bien que confirmée, n’est pas suffisante pour expliquer pourquoi l’univers contient autant de matière et si peu d’antimatière. Le Modèle standard de la physique des particules, notre meilleure tentative pour décrire le fonctionnement de l'univers au niveau subatomique, prédit une violation de CP trop faible pour expliquer l'asymétrie observée.
Cela suggère qu’il pourrait y avoir de nouvelles sources de violation de CP au-delà de celles prédites par le modèle standard, dont la recherche constitue une partie importante du programme de physique du LHC et se poursuivra dans ses « successeurs ».
Joachim Munich, directeur de la recherche et de l'informatique au CERN, commente :
Je félicite la collaboration LHCb pour ce résultat prometteur. Il souligne une fois de plus le potentiel scientifique du LHC et de ses expériences, et offre un nouvel outil pour explorer l'asymétrie matière-antimatière dans l'Univers.
Particules élémentaires, la chasse continue
La recherche, comme vous l’aurez compris, est loin d’être terminée. Les scientifiques continueront de rechercher de nouvelles preuves de violation de CP dans d’autres systèmes de particules, dans l’espoir de construire une image plus complète de la manière dont l’asymétrie entre la matière et l’antimatière a façonné l’univers.
J’aime à penser que nous commençons enfin à comprendre pourquoi nous existons, plutôt que de ne pas exister du tout. Ce n’est pas une mince affaire, étant donné que la plupart d’entre nous passons plus de temps à nous inquiéter de la dernière mise à jour de notre smartphone qu’à réfléchir à la chance que nous avons d’exister.
Car oui, on peut se contenter de savoir qu’on existe grâce à une erreur. Mais quelle magnifique erreur ce fut. Sans cela, nous ne serions pas là pour raconter cette histoire. Et certains commentaires sur les réseaux sociaux n’existeraient même pas, ce qui, à bien y penser, n’aurait peut-être pas été une si grande perte.
