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L'antimatière en cosmologie

Dossier - Antimatière vous avez dit Antimatière ?
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Le mot "antimatière" est entouré d'une certaine aura de mystère, et suscite bon nombre de questions. Nous allons définir ce qu'est l'antimatière, présenter quelques-unes de ses propriétés importantes.

  
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Ce chapitre est un peu plus avancé que les précédents et s'adresse au lecteur désireux d'aller un peu plus loin...

Nous avons dit plus haut que les réactions qui créent de l'antimatière créent en même temps de la matière. Comment comprendre alors que nous vivions dans un Univers apparemment constitué presque exclusivement de matière ? Pour apporter des éléments de réponse à cette question, il faut aller faire un tour du côté du Big-Bang. Petit détour donc...

  •  A - Le modèle du Big-Bang en deux mots

Un grand nombre d'observations astronomiques indiquent que nous vivons dans un Univers en expansion. Cela signifie que dans le passé, il était plus dense qu'aujourd'hui. Cela signifie aussi qu'il était plus chaud. En extrapolant cette remarque dans le passé, on arrive à l'idée que la matière devait être, dans le passé, dans un état extrêmement dense et chaud.

C'est le modèle du Big-Bang. Pour raconter l'histoire de l'Univers dans l'ordre chronologique, on prend comme point de départ un état si chaud et si dense que les quarks ne sont pas liés ensemble dans des noyaux, mais forment une mer quarks-gluons. L'Univers s'expand, se refroidit, et plusieurs choses se passent... Tout d'abord, les quarks se condensent pour former les premiers nucléons, protons et neutrons. Manque de chance, le neutron est instable, et se désintègre en proton au bout de quelques minutes, voire moins dans des environnements très denses... Heureusement, l'histoire est en marche rapide à ce moment-là, et avant que tous les neutrons ne se soient désintégrés, la température devient suffisamment faible pour qu'ils puissent se recombiner avec des protons pour former des noyaux plus complexes, deutérium, hélium, lithium, béryllium, bore, c'est la nucléosynthèse primordiale. Enfin, ces noyaux se lient aux électrons partout présents pour former des atomes. A ce moment précis, l'Univers devient transparent à la radiation qu'il contient, celle-ci peut se propager librement et nous l'observons encore maintenant sous la forme de rayonnement de fond cosmologique.

  •  B- L'asymétrie matière-antimatière

Un des problèmes soulevés par ce scénario est celui de l'asymétrie matière-antimatière. Les interactions décrites par le modèle standard de la physique des particules conservent le nombre baryonique, c'est-à dire qu'autant de baryons sont créés que d'antibaryons (les baryons se sont les particules "lourdes", comme les neutrons ou les protons)... Si au "début" il y autant de baryons que d'antibaryons, cette situation va perdurer tout le temps. La situation la plus naturelle serait donc la suivante : une quantité égale de baryons et d'antibaryons est présente, la plupart de ces particules s'annihilent assez tôt, sauf quelques particules de-ci de-là qui ont échappé à la bataille... Nous vivrions dans un endroit où le hasard a fait que ce sont des baryons qui ont survécu, il y aurait d'autres endroits où des antibaryons auraient survécu. Toutefois, quantitativement, ce scénario pose problème, car d'une part on peut montrer que la quantité de baryons survivante serait beaucoup plus faible que celle qu'on observe, et d'autre part si des régions de l'Univers qui contiennent surtout de la matière jouxtent des régions dans lesquelles c'est l'antimatière qui domine, on devrait observer d'importantes annihilations à leurs frontières. On peut quand même essayer de voir les antibaryons qui auraient survécu si cette hypothèse est juste, et nous avons mentionné plus haut la possibilité de détecter des antinoyaux d'hélium venant d'hypothétiques anti-étoiles.

Andrei Sakharov (1921-1989)

Si maintenant l'Univers contient effectivement plus de matière que d'antimatière, de deux choses l'une : ou bien dès le départ l'Univers contient plus de baryons que d'antibaryons, ou bien non, mais il y a eu création nette de baryons à un moment donné de l'histoire de l'Univers. La première possibilité ne satisfait pas les cosmologistes, qui veulent comprendre l'Univers en faisant le minimum d'hypothèses a priori sur l'"état initial". Nous allons discuter un peu plus avant la seconde possibilité. L'asymétrie matière-antimatière serait générée lors du Big-Bang, lors de la création même des baryons (de la première à la seconde case dans le dessin suivant, dans lequel les boules noires représentent les précurseurs de baryons, quoi qu'ils soient, les boules bleues représentent l'antimatière et les boules oranges la matière). Après annihilations mutuelles, il ne reste quasiment que l'excès de matière (de la deuxième à la troisième case).

Sakharov a montré en 1967 que trois conditions devaient être réunies à un moment donné de l'histoire de l'Univers pour expliquer l'apparition d'une asymétrie matière/antimatière lors de la première étape.

- Réactions violant la conservation du nombre baryonique, c'est-à-dire privilégiant la création de baryons sur celle d'antibaryons : sinon bien sûr en partant d'une situation symétrique on arrive à une situation tout aussi symétrique.

Des reactions conservant le nombre baryonique ne peuvent pas créer plus de matière qued'antimatiere.
Des réactions violant la conservation du nombre baryonique le peuvent.

- Violation des symétries C et CP. C'est la façon technique de dire que parmi les réactions précédentes ne conservant pas le nombre baryonique, il ne doit pas y en avoir autant qui créent des baryons que de réactions qui créent des antibaryons. Dit autrement, si la symétrie CP est respectée, les réactions qui créent des baryons (et donc violent B) seraient compensées par les réactions similaires qui créent des antibaryons (et donc violent aussi B) et globalement on ne serait pas plus avancé ! En reprenant les dessins introduits plus haut, les deux réactions suivantes ne doivent pas avoir les mêmes propriétés.

- Rupture de l'équilibre thermodynamique. Sinon les réactions qui créent des baryons sont exactement compensées par les réactions qui les détruisent (réversibilité des taux de réaction à l'équilibre thermodynamique). Les deux réactions suivantes ne doivent pas se faire à la même vitesse.

Qu'en est-il de ces trois conditions dans le modèle standard de la physique des particules ?

Dans le modèle standard, la violation de B est présente, à un niveau extrêmement faible aux énergies courantes ou même celles des accélérateurs, mais à un niveau appréciables dans l'Univers primordial.

- La violation de C et CP évoquée ici est observée dans les réactions de physique des particules, mais à un niveau trop faible pour jouer un rôle notable dans ce contexte.

- La troisième condition semble facilement remplie, car l'expansion de l'Univers tend à rompre l'équilibre thermodynamique. En fait il s'avère que l'expansion est trop lente pour rompre l'équilibre thermodynamique de façon assez efficace pour satisfaire la troisième condition. Par contre, l'Univers subit au cours de son histoire une transition de phase pendant laquelle l'équilibre thermodynamique est violemment rompu.
Les études détaillées montrent que le modèle standard ne permet pas d'expliquer l'asymétrie matière/antimatière dans l'Univers. Les cosmologistes et physiciens théoriciens se penchent vers des extensions de ce modèle standard, comme les théories de Grande Unification ou la supersymétrie.

Il se trouve que de toutes façons, pour d'autres raisons, les physiciens des particules veulent aller plus loin que le modèle standard. Ils voudraient unifier les interactions fondamentales, c'est-à-dire décrire ces interactions comme plusieurs facettes d'une même interaction. Ce courant a été entamé avec l'unification des phénomènes électriques et magnétiques pour donner l'électromagnétismeDans ce cadre, un champ électrique pour un observateur pourra se comporter comme un champ magnétique pour un autre. Plus tard, l'interaction faible a été unifiée avec l'électromagnétisme pour donner l'interaction électro-faible. L'étape suivante consiste à rajouter l'interaction forte. Ceci n'est pas achevé, mais il y a des pistes très sérieuses, auxquelles on donne le doux nom de GUT (pour Grand Unification Theories ou en français Théories de Grande Unification). Ces théories prédisent des violations du nombre baryonique B, de C et de CP plus importantes que dans le modèle standard. Le problème pour le moment est qu'on ne peut confronter ces théories aux observations de façon très précise car on ne connaît pas vraiment le détail de la théorie grande unifiée qu'il convient de considérer. Un test crucial de ces théories est qu'elles prédisent l'instabilité du proton. Plusieurs expériences essaient de surprendre un proton en train de se désintégrer, et si elles y parviennent on pourra en dire plus.