Les scientifiques se délectent à explorer les mystères, et plus le mystère est grand, plus l’enthousiasme est grand. Il y a beaucoup d’énormes questions sans réponse en science, mais quand on veut faire les choses en grand, il est difficile de battre « Pourquoi y a-t-il quelque chose, au lieu de rien ? »
Cette question peut sembler philosophique, mais elle se prête très bien à l’enquête scientifique. Formulée de manière un peu plus concrète, « Pourquoi l’univers est-il constitué des types de matière qui rendent la vie humaine possible pour que nous puissions même poser cette question ? ». Des scientifiques menant des recherches au Japon ont annoncé le mois dernier une mesure qui répond directement à cette question des plus fascinantes. Il semble que leur mesure soit en désaccord avec les attentes les plus simples de la théorie actuelle et pourrait bien pointer vers une réponse de cette question intemporelle.
Leur mesure semble dire que pour un ensemble particulier de particules subatomiques, la matière et l’antimatière agissent différemment.
Matière contre antimatière
A l’aide de l’accélérateur J-PARC, situé à Tokai, au Japon, les scientifiques ont tiré un faisceau de particules subatomiques fantômes appelées neutrinos et leurs homologues d’antimatière (antineutrinos) à travers la Terre jusqu’à l’expérience Super Kamiokande, située à Kamioka, également au Japon. Cette expérience, appelée T2K (Tokai to Kamiokande), est conçue pour déterminer pourquoi notre univers est constitué de matière. Un comportement particulier présenté par les neutrinos, appelé oscillation des neutrinos, pourrait apporter un éclairage sur ce problème très contrariant.
Se demander pourquoi l’univers est fait de matière peut sembler une question singulière, mais il y a une très bonne raison pour laquelle les scientifiques sont surpris par cette question. C’est parce que, en plus de connaître l’existence de la matière, les scientifiques connaissent également l’antimatière.
En 1928, le physicien britannique Paul Dirac a proposé l’existence de l’antimatière – un frère antagoniste de la matière. Combinez des quantités égales de matière et d’antimatière et les deux s’annihilent, entraînant la libération d’une énorme quantité d’énergie. Et comme les principes de la physique fonctionnent généralement aussi bien en sens inverse, si vous disposez d’une quantité prodigieuse d’énergie, elle peut se convertir en quantités exactement égales de matière et d’antimatière. L’antimatière a été découverte en 1932 par l’Américain Carl Anderson et les chercheurs ont eu près d’un siècle pour étudier ses propriétés.
Cependant, cette phrase « en quantités exactement égales » est le nœud de l’énigme. Dans les brefs instants qui ont immédiatement suivi le Big Bang, l’univers était plein d’énergie. Au fur et à mesure de son expansion et de son refroidissement, cette énergie aurait dû se convertir en particules subatomiques de matière et d’antimatière en quantités égales, qui devraient être observables aujourd’hui. Et pourtant, notre univers est essentiellement composé entièrement de matière. Comment est-ce possible ?
En comptant le nombre d’atomes dans l’univers et en le comparant à la quantité d’énergie que nous voyons, les scientifiques ont déterminé que « exactement égal » n’est pas tout à fait juste. D’une manière ou d’une autre, lorsque l’univers n’avait qu’un dixième de trillionième de seconde, les lois de la nature ont légèrement penché en faveur de la matière. Pour chaque 3.000.000.000 de particules d’antimatière, il y avait 3.000.000.001 particules de matière. Les 3 milliards de particules de matière et les 3 milliards de particules d’antimatière se sont combinées – et se sont annihilées en énergie, laissant le léger excès de matière pour constituer l’univers que nous voyons aujourd’hui.
Depuis que cette énigme a été comprise il y a près d’un siècle, les chercheurs ont étudié la matière et l’antimatière pour voir s’ils pouvaient trouver un comportement dans les particules subatomiques qui expliquerait l’excès de matière. Ils sont convaincus que la matière et l’antimatière sont fabriquées en quantités égales, mais ils ont également observé qu’une catégorie de particules subatomiques appelées quarks présente des comportements qui favorisent légèrement la matière par rapport à l’antimatière. Cette mesure particulière était subtile et concernait une catégorie de particules appelées mésons K, qui peuvent passer de la matière à l’antimatière et inversement. Mais il y a une légère différence dans la conversion de la matière en antimatière par rapport à l’inverse. Ce phénomène était inattendu et sa découverte a conduit au prix Nobel de 1980, mais l’ampleur de l’effet n’était pas suffisante pour expliquer pourquoi la matière domine dans notre univers.
Des faisceaux fantômes
Donc, les scientifiques ont porté leur attention sur les neutrinos, pour voir si leur comportement peut expliquer l’excès de matière. Les neutrinos sont les fantômes du monde subatomique. Interagissant uniquement par le biais de la force nucléaire faible, ils peuvent traverser la matière sans pratiquement interagir. Pour donner une idée de l’échelle, les neutrinos sont le plus souvent créés dans des réactions nucléaires et le plus grand réacteur nucléaire qui existe est le Soleil. Pour se protéger de la moitié des neutrinos solaires, il faudrait une masse de plomb solide d’environ 5 années-lumière d’épaisseur. Les neutrinos n’interagissent vraiment pas beaucoup.
Entre 1998 et 2001, une série d’expériences – l’une utilisant le détecteur Super Kamiokande, et l’autre le détecteur SNO de Sudbury, en Ontario – ont prouvé définitivement que les neutrinos présentent aussi un autre comportement surprenant. Ils changent d’identité.
Les physiciens connaissent trois types distincts de neutrinos, chacun associé à un frère subatomique unique, appelés électrons, muons et taus. Les électrons sont ce qui cause l’électricité et la particule muon et tau sont très semblables aux électrons, mais plus lourds et instables.
Les trois types de neutrinos, appelés neutrino électron, neutrino muon et neutrino tau, peuvent se « transformer » en d’autres types de neutrinos et inversement. Ce comportement est appelé oscillation du neutrino.
L’oscillation du neutrino est un phénomène uniquement quantique, mais il est grossièrement analogue au fait de commencer avec un bol de glace à la vanille et, après être allé chercher une cuillère, vous revenez pour découvrir que le bol est moitié vanille et moitié chocolat. Les neutrinos changent d’identité, passant d’un type entièrement unique à un mélange de types, à un type entièrement différent, puis à nouveau au type initial.
Oscillations d’antineutrinos
Les neutrinos sont des particules de matière, mais les neutrinos d’antimatière, appelés antineutrinos, existent également. Et cela conduit à une question très importante. Les neutrinos oscillent, mais les antineutrinos oscillent-ils aussi et oscillent-ils exactement de la même manière que les neutrinos ? La réponse à la première question est oui, tandis que la réponse à la seconde n’est pas connue.
Envisageons cela un peu plus en détail, mais de manière simplifiée : Supposons qu’il n’y ait que deux types de neutrinos – muon et électron. Supposons en outre que vous ayez un faisceau de neutrinos de type muon pur. Les neutrinos oscillent à une vitesse spécifique et, comme ils se déplacent à une vitesse proche de celle de la lumière, ils oscillent en fonction de la distance par rapport à l’endroit où ils ont été créés. Ainsi, un faisceau de neutrinos de muons purs ressemblera à un mélange de muons et d’électrons à une certaine distance, puis à des électrons purs à une autre distance, avant de redevenir uniquement des muons. Les neutrinos d’antimatière font la même chose.
Cependant, si les neutrinos de matière et d’antimatière oscillent à des taux légèrement différents, on s’attendrait à ce que si vous étiez à une distance fixe du point où un faisceau de neutrinos de muon pur ou d’antineutrinos de muon a été créé, alors dans le cas du neutrino, vous verriez un mélange de neutrinos de muon et d’électron, mais dans le cas du neutrino d’antimatière, vous verriez un mélange différent de neutrinos de muon et d’électron d’antimatière. La situation réelle est compliquée par le fait qu’il y a trois sortes de neutrinos et que l’oscillation dépend de l’énergie du faisceau, mais ce sont les grandes idées.
L’observation de fréquences d’oscillation différentes par les neutrinos et les antineutrinos serait une étape importante pour comprendre le fait que l’univers est fait de matière. Ce n’est pas toute l’histoire, car d’autres nouveaux phénomènes doivent également tenir, mais la différence entre les neutrinos de matière et d’antimatière est nécessaire pour expliquer pourquoi il y a plus de matière dans l’univers.
Dans la théorie dominante actuelle décrivant les interactions entre neutrinos, il y a une variable qui est sensible à la possibilité que les neutrinos et les antineutrinos oscillent différemment. Si cette variable est nulle, les deux types de particules oscillent à des taux identiques ; si cette variable diffère de zéro, les deux types de particules oscillent différemment.
Lorsque T2K a mesuré cette variable, ils ont constaté qu’elle était incompatible avec l’hypothèse selon laquelle les neutrinos et les antineutrinos oscillent de manière identique. De manière un peu plus technique, ils ont déterminé une plage de valeurs possibles pour cette variable. Il y a 95 % de chances que la vraie valeur de cette variable se situe dans cette plage et seulement 5 % de chances que la vraie variable se situe en dehors de cette plage. L’hypothèse « pas de différence » est en dehors de la plage de 95 pour cent.
En termes plus simples, la mesure actuelle suggère que les neutrinos et les neutrinos d’antimatière oscillent différemment, bien que la certitude ne s’élève pas au niveau permettant de faire une affirmation définitive. En fait, les critiques soulignent que les mesures ayant ce niveau de signification statistique doivent être considérées avec beaucoup, beaucoup de scepticisme. Mais c’est certainement un premier résultat énormément provocateur, et la communauté scientifique mondiale est extrêmement intéressée à voir des études améliorées et plus précises.
L’expérience T2K continuera d’enregistrer des données supplémentaires dans l’espoir de faire une mesure définitive, mais ce n’est pas le seul jeu en ville. Au Fermilab, situé à l’extérieur de Chicago, une expérience similaire appelée NOVA tire à la fois des neutrinos et des neutrinos d’antimatière vers le nord du Minnesota, dans l’espoir de battre T2K à plate couture. Et, en se tournant davantage vers l’avenir, le Fermilab travaille dur sur ce qui sera son expérience phare, appelée DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), qui disposera de capacités bien supérieures pour étudier cet important phénomène.
Bien que le résultat de T2K ne soit pas définitif et que la prudence soit de mise, il est certainement alléchant. Compte tenu de l’énormité de la question de savoir pourquoi notre univers semble ne pas avoir d’antimatière appréciable, la communauté scientifique mondiale attendra avidement de nouvelles mises à jour.
Originally published on Live Science.
Don Lincoln est un chercheur en physique au Fermilab. Il est l’auteur de « The Large Hadron Collider : The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind » (Johns Hopkins University Press, 2014), et il produit une série de vidéos d’éducation scientifique. Suivez-le sur Facebook. Les opinions exprimées dans ce commentaire sont les siennes.
Don Lincoln a contribué à cet article pour les Voix d’experts de Live Science : Op-Ed & Insights.
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