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Un lien entre matière noire et antimatière ?

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Par Laurent Sacco, Futura

Depuis quelque temps, les chercheurs s'interrogent sur un lien entre la mystérieuse matière noire et l'énigme de l'antimatière cosmologique. L'une des théories proposées permettrait non seulement de résoudre les deux énigmes simultanément mais également de conduire des prédictions peut-être testables au LHC.

Physique des particules et cosmologie sont devenues inséparables depuis quelques dizaines d'années. C'est ainsi que l'on verra peut-être dans le détecteur Atlas, représenté par un dessin à droite, les particules de matière noire à l'origine des galaxies. © Lundbeck Foundation

Le domaine de la cosmologie présente trois grandes énigmes. La plus profonde de toutes est celle de l'énergie noire, suivie juste après par la question de la nature de la matière noire ; toutes les deux étant liées à des questions de physique des hautes énergies. Ces deux problèmes sont probablement en rapport avec une théorie encore spéculative mais qui doit être testée au LHC : la supersymétrie. Enfin, la troisième énigme de la cosmologie, peut-être la plus ancienne, est celle du déficit en antimatière cosmologique.

On sait en effet depuis la découverte théorique de l'antimatière par Paul Dirac que la création d'une particule de matière (comme un électron) doit s'accompagner d'une particule d'antimatière (un positron par exemple), selon la loi de conservation de la charge. Les deux particules étant de charge égale en valeur absolue mais de signes opposés, le bilan total reste nul. Toutefois, la théorie du Big Bang et les observations cosmologiques nous forcent à constater que la matière est la composante dominante de l'univers observable. Il manque donc de l'antimatière, à moins qu'il soit possible de modifier les lois de la création des particules de matière, de manière à ce qu'elles aient été créées en nombre légèrement supérieur. La matière observée aujourd'hui serait alors un résidu fossile laissé par une gigantesque annihilation de particules et d'antiparticules.

Problème de l'antimatière ou problème de la baryogénèse ?

Cette hypothèse est la solution préférée de la majorité des cosmologistes, mais elle implique que plusieurs conditions en physique des hautes énergies aient été vérifiées dans les premiers instants du cosmos observable, conditions énoncées par Andrei Sakharov. L'une d'elle stipule qu'il faut violer une autre loi que la conservation de la charge électrique. Le nombre baryonique associé aux protons, neutrons et autres baryons doit lui aussi pouvoir être violé dans certaines réactions entre particules élémentaires. C'est pourquoi le problème de l'antimatière cosmologique est parfois mentionné sous le nom de « problème de la baryogénèse ».

Le physicien et cosmologiste Andrei Sakharov (1921-1989). © Université d'Harvard

La matière noire étant neutre, on pourrait penser qu'elle n'est pas liée au problème de l'antimatière, mais certains physiciens ont construit depuis quelque temps des scénarios où cette liaison est envisagée. Il faut pour cela introduire de nouvelles équations en physique des particules et en déduire des prédictions pour la cosmologie. Inversement, la cosmologie elle-même nous donne des contraintes pour l'étude de la physique des particules, ce qui fait également de la cosmologie un laboratoire pour l'infiniment petit.

Un champ de matière primordiale

L'une des théories les plus intéressantes, proposée récemment par les théoriciens des astroparticules, s'appelle l'hylogenèse. Elle vient de hyle, qui signifie « matière primordiale » en grec ancien. L'hylogenèse explique à la fois la naissance de la matière baryonique du cosmos (protons et neutrons) et celle de la matière non-baryonique, la matière noire donc. Et surtout, elle résout le problème de l'antimatière en proposant les particules de matière noire comme antimatière cosmologique manquante !

Selon le physicien Kris Sigurdson et ses collègues, dans les tout premiers moments de l'histoire de l'univers, devait exister un champ de particules décrivant un fermion environ 1.000 fois plus lourd que le proton. La particule, qu'ils notent X, associée à ce champ, peut se désintégrer en un neutron ou en antiparticule composée de deux autres particules légères, qu'ils notent Y et . De même, l'antiparticule de X peut se désintégrer en un antineutron ou en particules de  et Y. Techniquement, les particules X et Y sont des fermions de Dirac, comme un électron, alors que la particule  est associée à un champ scalaire complexe.

Ces désintégrations se font en accord avec une des conditions de Sakharov, à savoir qu'il se produit une violation de la symétrie CP. En l'occurrence, cela signifie qu'il est plus fréquent pour la particule X de se désintégrer en neutron que pour son antiparticule en antineutron. Inversement, une antiparticule X se désintégrera plus souvent en Y et  qu'une particule X en anti  et anti Y.

Lors de la phase d'annihilation entre matière et antimatière, ce déséquilibre conduit à ce qu'il ne reste plus que de la matière baryonique et de l'« antimatière » baryonique (les Y et ), c'est-à-dire ici de la matière noire !

Les particules Y et  sont légères dans cette théorie, de l'ordre de quelques GeV. Avec la particule X, elles feraient partie de ce qu'on appelle un secteur caché de certaines des généralisations du modèle standard de particules. Un secteur caché dans ces généralisations, est un groupe de champs de particules qui se couplent faiblement aux autres champs du modèle standard, malgré le fait que de faibles énergies soient mises en jeu. Plus exactement, il n'existe pas de couplage direct avec les bosons de gauge du modèle standard, comme le photon.

Des tests expérimentaux à portée de main ?

Il y aurait plusieurs moyens de tester cette théorie de l'hylogenèse. Ainsi, les particules de matière noire peuvent provoquer la désintégration des nucléons. Le cas le plus intéressant est une réaction de désintégration du proton donnant un kaon positif. Peut-être observable avec des expériences comme SuperKamiokande, ce genre de réactions peut intervenir de façon significative dans l'intérieur des naines blanches et des étoiles à neutrons.

Remarquablement, les particules X, Y et  nécessitent, dans ce scénario pour la matière noire, l'existence d'un boson Z' qui aurait des manifestations visibles au LHC. L'une de ces manifestations serait la production des particules de matière noire dans les collisions au LHC. Il se pourrait donc que nous n'ayons plus que quelques années à attendre pour obtenir une réponse simultanée aux deux énigmes que sont la matière noire et l'absence d'antimatière cosmologique.