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Découverte d'une différence spectaculaire entre matière et antimatière

ActualitéClassé sous :physique , BABAR , expérience

Nouveaux résultats annoncés par les physiciens de l'expérience BABAR menée au Stanford Linear Accelerator Center (Slac, Californie) par une collaboration internationale, à laquelle participent des laboratoires de l'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) du CNRS et de la Direction des sciences de la matière du CEA, Ces résultats démontrant une différence spectaculaire de comportement entre matière et antimatière.

Le détecteur BABAR du Slac Crédit : http://www.cnrs.fr

Au début de son histoire, lors du big-bang, l'Univers contenait autant de matière que d'antimatière. Cependant, toutes les observations montrent que l'Univers dans lequel nous vivons aujourd'hui n'est constitué que de matière. Qu'est-il donc arrivé à l'antimatière ? De subtiles différences de comportement entre matière et antimatière (une violation de symétrie CP1) sont très certainement responsables de l'écart qui s'est établi, au cours de l'histoire de l'Univers, entre les proportions de matière et d'antimatière. Cependant, les connaissances actuelles sur ces différences sont incomplètes et ne permettent pas encore de comprendre pourquoi la matière a pris le dessus sur l'antimatière.

Un premier cas de violation de CP a été découvert en 19642. Depuis, ces recherches se poursuivent activement, notamment avec l'expérience BABAR. L'importance de leur enjeu a été soulignée lorsqu'en 1967, le physicien russe Andreï Sakharov a montré que la violation de CP est l'une des trois conditions nécessaires pour rendre compte de proportions inégales de matière et d'antimatière dans l'Univers.

L'accélérateur PEP-II du Slac provoque des collisions entre électrons et antiélectrons (positons) qui produisent en abondance, par paires, des particules exotiques et lourdes, dénommées mésons B et anti-B. Ces objets rares ont une durée de vie brève et se désintègrent à leur tour en particules subatomiques plus légères, comme les pions et les kaonsB que l'expérience BABAR est capable de détecter.

S'il n'y avait aucune différence entre matière et antimatière, les mésons B et anti-B se désintègreraient exactement selon le même schéma. Or, cette nouvelle mesure de BABAR démontre l'existence d'un cas où les taux de désintégration sont très différents. En examinant minutieusement les désintégrations de plus de 200 millions de paires de B et d'anti-B, les expérimentateurs ont en effet trouvé 910 désintégrations de mésons B en un kaon et un pion, contre seulement 696 désintégrations de mésons anti-B : un résultat qui indique de façon claire une asymétrie saisissante de comportement entre matière et antimatière.

Alors que des asymétries entre matière et antimatière ont déjà été observées par BABAR et d'autres expériences, c'est la première fois qu'une différence apparaît dans le simple comptage de désintégrations de mésons B et anti-B, ce qui est la marque du phénomène de violation directe de CP. En outre, cette nouvelle observation, qui montre une fréquence de désintégration du méson B dépassant de 13% celle du méson anti-B, révèle un effet beaucoup plus important - environ 100.000 fois plus fort - que ce qui se produit de façon similaire avec les kaons.

Cette découverte est due en grande partie aux performances extraordinaires de l'accélérateur PEP-II de Slac, qui fonctionne actuellement avec une intensité trois fois supérieure à celle qu'il devait atteindre par construction, et à l'efficacité opérationnelle du détecteur BABAR capable d'enregistrer 98% des collisions. Ce résultat passionnant, qui teste un mécanisme clé de la structure et du comportement de la matière, constitue une avancée significative dans le recensement des éléments à même d'expliquer le problème de la "disparition" de l'antimatière.

Note :

1La symétrie CP correspond au produit de deux symétries : la conjugaison de charge C qui associe une particule à son antiparticule, de même masse mais de charge opposée, et la parité P, qui transforme une particule en son image dans un miroir.
2par James Christenson, René Turlay, James Cronin, Val Fitch ce qui valut à ces deux derniers un prix Nobel.

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