L’histoire jusqu’à présent: le 16 juillet, une collaboration internationale de scientifiques basée en Europe a rapporté qu’ils avaient, pour la première fois, observé que les versions de matière et d’antimatière d’un type de particule subatomique appelée décomposition du baryon à différents taux. Le résultat a révélé une nouvelle différence dans leur comportement qui peut aider à expliquer pourquoi l’univers est principalement fait de matière.
Pourquoi l’univers est-il fait principalement de matière?
Il y a 13,8 milliards d’années, Big Bang aurait dû créer des quantités égales de matière et d’antimatière. Mais quand nous regardons autour de nous, nous voyons un univers rempli de matière – des étoiles, des planètes, des gens – tandis que l’antimatière est presque introuvable. Cette déséquilibre est l’un des plus grands mystères non résolus de la science. Les physiciens croient que des différences subtiles dans la façon dont la matière et l’antimatière se comportent, en particulier quelque chose appelé violation du CP, pourraient être un indice majeur pour comprendre ce déséquilibre.
CP signifie la conjugaison des charges (C) et la parité (P). La conjugaison de charge signifie échanger une particule contre son antiparticule (qui a la charge électrique opposée) et la parité signifie se retourner à gauche et à droite, comme regarder dans un miroir. Si l’univers traitait la matière et l’antimatière exactement de la même manière, même après un échange de particules et un retournement de miroir, nous didrions que la symétrie CP tient. Mais des expériences ont montré que cette symétrie peut être brisée. C’est ce qu’on appelle la violation du CP.
La violation du CP est cruciale car c’est l’une des conditions nécessaires à un univers pour se retrouver avec plus de matière que l’antimatière.
La violation du CP a-t-elle été vue auparavant?
« Bien que la violation du CP ait été précédemment observée dans les mésons, des particules en paires de quark-antiquark, elle n’avait jamais été observée auparavant dans les baryons, à trois particules de quartier telles que les protons et les neutrons qui constituent la majorité de la matière visible dans l’univers Minakshi Nayak, a déclaré à The Hindud, un physicien expérimental de haute énergie, le physicien élevé Minakshi Nayak.
Le nouveau résultat est le premier à montrer la violation du CP dans les désintégrations du baryon, en particulier dans une particule appelée λb0 baryon.
Le baryon λb0 est une lourde particule subatomique faite de trois quarks: un quark up, un quark en duvet et un quark inférieur. Son antiparticule, la barre λb0, a les antiquarks correspondants. Dans la nouvelle étude, les scientifiques ont étudié comment le baryon λb0 se désintègre en proton, un kaon chargé négativement et deux pions (un positif, un négatif). Ils ont également regardé la même désintégration pour l’antiparticule mais avec des charges opposées.
Comment les désintégrations des particules sont-elles observées?
L’expérience a eu lieu au grand collisionneur de hadrons (LHC) en Europe, et les données pour son analyse ont été collectées par le détecteur LHCB de la machine. Au cours de plusieurs années, l’équipe a collecté des données à partir de milliards de collisions Proton-Proton, qui produisaient parfois des baryons λb0 et λb0-bar. Les algorithmes sophistiqués et les techniques d’apprentissage automatique ont ensuite aidé les chercheurs à choisir les rares événements où ces baryons se sont décomposés dans l’ensemble spécifique de particules qu’ils recherchaient.
La clé est de comparer la fréquence à laquelle le baryon λb0 se désintègre dans l’ensemble de particules choisi avec la fréquence à laquelle son antiparticule fait. Si les lois de la physique traitaient la matière et de l’antimatière de manière identique, ces taux seraient les mêmes. Toute différence, après la prise en compte des biais expérimentaux possibles, serait la preuve d’une violation du CP. Les chercheurs ont mesuré une quantité appelée asymétrie CP, qui est la différence de taux de désintégration divisée par le nombre total de désintégrations.
Les chercheurs ont fait très attention à l’identification et à la suppression d’autres effets qui imitent la violation du CP. Par exemple, le LHC peut produire un peu plus de baryons λb0 que les anticararons λb0-bar ou le détecteur LHCB pourrait être meilleur pour en repérer l’un sur l’autre. Pour corriger ces effets, l’équipe a utilisé un canal de contrôle, une décroissance similaire où aucune violation de CP n’est attendue. En mesurant toute asymétrie dans ce canal de contrôle, ils pourraient soustraire ces effets de nuisance et isoler le véritable signal de violation de CP.
Quel a été le résultat principal?
Les chercheurs ont trouvé une différence claire dans les taux de désintégration: l’asymétrie CP a été mesurée à environ 2,45%, avec une très petite incertitude.
« Statistiquement, l’asymétrie CP mesurée s’écarte de zéro de 5,2 écarts-types, dépassant le seuil de 5 sigma nécessaires pour réclamer une découverte en physique des particules », a déclaré le Dr Nayak. «Cette découverte historique maintient le potentiel d’approfondir notre compréhension du déséquilibre de la matière».
C’est un grand pas en avant, bien que la quantité de violation du CP observée soit encore trop petite pour tenir compte du grand déséquilibre entre la matière et l’antimatière dans l’univers.
Les scientifiques peuvent désormais rechercher la violation du CP dans d’autres désintégrations du baryon et essayer de la mesurer plus précisément. Théoriquement, ils peuvent travailler pour comprendre la dynamique complexe qui produisent ces effets et recherchent des signes de particules et de forces non découvertes auparavant, dans le but de combler les lacunes de notre connaissance de notre univers. L’objectif ultime est de savoir s’il existe des sources supplémentaires de violation du CP qui pourraient expliquer la domination de la matière.
La constatation aborde également une question fondamentale sur notre existence: pourquoi y a-t-il quelque chose plutôt que rien? Chaque atome de votre corps, chaque étoile du ciel, existe parce que la matière a conquis de l’antimatière. En découvrant les différences subtiles dans la façon dont la nature traite la matière et l’antimatière, les scientifiques rassemblent l’histoire de la façon dont notre univers est devenu tel qu’il est.
Publié – 17 juillet 2025 11h00 IST