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L'antimatière cosmologique manque toujours à l'appel !

ActualitéClassé sous :Astronomie , Gary Steigman , antimatière

C'est une des grandes énigmes de la cosmologie : où est passée l'antimatière, qui devait être autant présente que la matière peu après le début de l'Univers observable ? Une solution, la théorie de l'émulsion, vient de subir un nouveau test grâce aux satellites Chandra et Compton. Le mystère subsiste...

Une photo composite montrant l'amas galactique du Bullet cluster, situé à environ 3,8 milliards d'années-lumière de la Terre, réalisée à partir d'images de Chandra (rayons X), du télescope spatial Hubble et du télescope Magellan au Chili. Crédit : Nasa/CXC/CfA/M.Markevitch et al.

Une des lois fondamentales du modèle standard stipule que la création de particules de matière chargées ne peut se faire que sous forme de paires de particule-antiparticule. Un positron doit donc être créé en même temps qu'un électron et un quark simultanément à un anti-quark. Ainsi, la somme des charges des paires de particules étant toujours nulle (les charges des antiparticules sont égales mais opposées à celles des particules), on vérifie bien la loi de la conservation de la charge. L'Univers lui-même peut avoir commencé son histoire avec une charge totale nulle, ce qui rend moins difficile l'idée d'une « création » de l'Univers puisqu'il n'y a pas à expliquer l'apparition d'une charge globale.

Mais l'antimatière semble très rare dans notre Univers... Il existe bien quelques particules d'antimatière créées par des processus astrophysiques violents, comme par exemple au voisinage des quasars, et peut-être par des mini trous noirs primordiaux en train de s'évaporer. Mais elles ne sont qu'une goutte face à un océan manquant... Où est donc passée l'antimatière cosmologique ?

Une des réponses possibles est qu'elle est bien là mais qu'elle s'est séparée de la matière pour former une émulsion, un peu comme le vinaigre et l'huile dans une vinaigrette. A grande échelle, l'Univers serait alors une série de poches de matière et d'antimatière. Nous nous trouverions dans l'une d'elles, nous interrogeant sur l'énigme de l'absence d'antimatière autour de nous.

Comment tester cette théorie ?

Le principe à mettre en œuvre pour vérifier cette hypothèse est assez simple. En effet, à l'interface entre ces deux poches, des annihilations devraient se produire avec une émission copieuse de rayon gamma. Les astrophysiciens ont donc rapidement cherché ce signe au niveau des galaxies.

Bien sûr, une anti-galaxie doit apparaître au télescope comme une galaxie normale. Elle en est donc indistinguable. Mais elle peut entrer en collision avec une galaxie... Même si des chocs directs entre étoiles et anti-étoiles ne peuvent se produire, il en serait tout autrement pour le milieu interstellaire composé de plasma, de poussières, d'atomes et de molécules. Une signature nette d'annihilations serait alors aisément observable... mais elle n'a jamais été repérée, ce qui rend les cosmologistes de plus en plus perplexes.

Gary Steigman est l'un des pionniers des recherches sur cette énigme cosmologique et il s'est fait connaître avec David Schramm en prévoyant, à partir des données de la nucléosynthèse primordiale de l'hélium, qu'il ne devait exister que trois familles de neutrinos dans l'Univers. D'abord un peu sceptique, la communauté scientifique dut se rendre à l'évidence en 1989 lorsque le LEP vérifia en accélérateur, avec la largeur de la désintégration du boson Z0, qu'il n'existait en effet que trois familles de neutrinos légers.

Aujourd'hui, Gary Steigman poursuit ses travaux sur l'antimatière cosmologique en mettant à profit les nouveaux résultats fournis ces dernières années par les satellites Chandra et Compton observant respectivement en rayons X et gamma. Puisque les tests précédents, restés négatifs, avaient été effectués au niveau des galaxies, ne pouvait-on imaginer que c'était au niveau des amas de galaxies que la séparation entre matière et antimatière s'était effectuée tôt dans l'histoire de l'Univers ?

Cliquez pour agrandir. Une représentation possible de collisions d'amas contenant de l'antimatière. Crédit : Nasa/CXC/M. Weiss

Nous n'observons peut-être qu'une minuscule portion de l'Univers

Or justement, des collisions au niveau des amas ont bel et bien été observées, en particulier celle du célèbre Bullet cluster qui a fourni des arguments très convaincants en faveur de l'existence de la matière noire, précisément grâce aux observations en rayons X de Chandra.

Gary Steigman vient de publier un article à ce sujet et ses conclusions sont que les amas entrés en collision dans le cas du Bullet cluster ne peuvent pas être constitués à plus d'une part pour 3 millions d'antimatière. Si l'on tient compte également du mouvement des amas, alors cette limite impose que sur une échelle de distance d'environ 65 millions d'années-lumière, l'Univers est bien toujours très majoritairement constitué de matière.

Cela réfute-t-il complètement la théorie de l'émulsion ? Probablement pas, surtout si l'on tient compte de la théorie de l'inflation. La séparation entre des zones de matière et d'antimatière n'est peut-être décelable que lorsque l'on considère l'Univers sur des échelles de plusieurs centaines de milliards d'années-lumière. Si la théorie de l'inflation proposée par Alan Guth et Andreï Linde est exacte, alors une expansion ultrarapide mais brève du cosmos observable s'est produite moins de 10-35 s après le « début » de l'Univers. Ce dernier serait alors incomparablement plus vaste que ce que nos observations montrent, s'étendant même peut-être sur des milliards de milliards d'années-lumière... ou plus.

Pas découragé pour autant, Gary Steigman continue sa quête, mais il se pourrait bien que la solution de l'énigme de l'antimatière cosmologique trouve sa solution dans une autre direction. En effet, les théories de Grande Unification, les GUT, faisant fusionner les forces électrofaible et nucléaire forte, prédisent justement une asymétrie entre matière et antimatière. Elles font intervenir un ingrédient mis en avant une première fois par Sakharov, la violation CP, dont on sait qu'elle existe au moins au niveau des interactions électrofaibles comme le récent prix Nobel de physique vient de nous le rappeler. Toutefois, la violation CP déjà observée est encore trop faible pour rendre compte de l'asymétrie entre matière et antimatière au niveau cosmologique. Mais nous n'en sommes encore qu'au début de notre exploration du cosmos...

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