L'asymétriematière-antimatière est le fait observé que l'univers contient beaucoup plus de matière que d'antimatière, alors que l'on s'attend à ce que le Big Bang ait produit des quantités égales des deux. Si la matière et l'antimatière avaient été créées symétriquement, elles se seraient annihilées mutuellement, laissant un univers rempli de rayonnement et sans étoiles, planètes ni vie. Le fait que nous existions signifie que pour environ un milliard de paires particule-antiparticule, une particule de matière supplémentaire a survécu. Cette asymétrie est l'un des plus grands problèmes non résolus de la physique, car le modèle standard de la physique des particules n'en fournit pas d'explication suffisante.
Histoire
Le problème a été formulé pour la première fois par Andreï Sakharov en 1967, qui a énoncé trois conditions nécessaires à la baryogenèse (la génération de l'asymétriematière-antimatière) : la violation du nombre baryonique, la violation de C et de CP, et la sortie de l'équilibre thermique. Depuis lors, aucune théorie n'a pleinement satisfait toutes ces conditions dans le cadre du modèle standard.
Comment ça marche
On pense que l'asymétrie provient de processus qui violent certaines symétries, notamment la conjugaison de charge (C) et la symétrie charge-parité (CP). Dans l'univers primordial, les conditions étaient suffisamment extrêmes pour que de telles violations se produisent, peut-être par des interactions impliquant des particules lourdes ou par la dynamique de la transition de phase électrofaible. Ces processus auraient produit un léger excès de quarks par rapport aux antiquarks, ce qui a conduit à l'univers dominé par la matière que nous voyons aujourd'hui. Le mécanisme exact reste cependant inconnu, et des expériences recherchent de nouvelles sources de violation de CP et des processus comme la désintégration du proton qui pourraient éclairer ce mystère.
Si l'asymétrie était légèrement différente, l'univers serait soit vide, soit rempli d'antimatière, ce qui rend notre existence extraordinairement réglée avec précision.
Une membrane tendue, enfermée dans un étui étroit, décide elle-même où se rompre. Il en va de même pour la cellule : lorsqu'elle est à l'étroit, le point de rupture se déplace du centre et les deux moitiés deviennent inégales. On pensait auparavant que cette asymétrie était prédéterminée par des marqueurs chimiques, mais de nouveaux travaux montrent que la mécanique seule suffit.
Dans les tout premiers instants après le Big Bang, la matière et l'antimatière auraient dû naître en quantités égales. Mais aujourd'hui, tout autour de nous n'est que matière ordinaire, et l'antimatière est quasi introuvable. Où est-elle passée ?
L'Univers primordial n'est pas simplement un bouillon chaud de particules. Dans les premières fractions de seconde, la symétrie miroir aurait pu être brisée : le monde et son reflet ne seraient plus tout à fait identiques.
L'eau qui bout dans une casserole — voilà par où commencer. Les bulles de vapeur remontent, éclatent, et la surface se calme. C'est à peu près ainsi qu'au tout début de la vie de l'Univers, un champ particulier remplissant l'espace a pu se comporter : des bulles de nouvelle phase s'y gonflaient et entraient en collision — comme des îlots de vapeur dans un…
Le monde quantique aime l'équilibre. Lorsqu'on force une particule massive à se dédoubler — à suivre deux chemins à la fois — quelque chose doit bouger en retour. Ce « quelque chose », c'est l'appareil lui-même qui a séparé la particule.
Deux jumeaux entrent dans une pièce par des portes différentes. Chacun reçoit une boîte avec un bouton — et chaque fois qu'ils appuient sur le bouton, une ampoule rouge ou verte s'allume. Si les jumeaux sont absolument identiques, on peut s'attendre à ce que leurs ampoules s'allument selon les mêmes règles internes.
D'un côté de la balance, toute la matière de l'Univers ; de l'autre, toute l'antimatière. Selon les lois de la physique, au moment de la naissance du monde, les plateaux auraient dû s'équilibrer. Mais nous voyons qu'un plateau l'emporte : autour de nous, il y a des étoiles, des planètes, des humains, et presque pas d'antimatière.
Dans les tout premiers instants après le Big Bang, la matière et l'antimatière auraient dû naître en quantités égales. Mais aujourd'hui, nous ne voyons que de la matière — les étoiles, les planètes, nous-mêmes. Où est passée l'antimatière ? Une des clés se cache dans des particules presque insaisissables : les neutrinos droits.
Après le Big Bang, l'Univers ressemblait à un ballon bien gonflé : la pression empêchait la matière de s'agglutiner. Mais des particules super-lourdes hypothétiques — de véritables « poids lourds » du monde subatomique — rendaient le ballon moins rigide un instant.
Dans le monde quantique, certaines règles semblent violées. L'une d'elles est la loi de conservation : si en physique classique la symétrie garantit la conservation de la charge, lors du passage à la description quantique, cette garantie peut disparaître. Ce phénomène est appelé anomalie quantique.
L'univers n'est pas né seul — avec lui est apparu un jumeau miroir où tout est inversé : la droite et la gauche sont échangées, et le temps s'écoule du futur vers le passé.
Le chat de Erwin Schrödinger, selon les lois quantiques, peut être à la fois vivant et mort. Mais avec une table, ce tour ne fonctionne pas. Lorsqu'un objet massif tente de se trouver à deux endroits, sa masse courbe tellement l'espace-temps qu'au lieu de deux points, il se forme un unique creux profond — et l'objet y glisse.
Dans les transitions nucléaires du béryllium-8, de l'hélium-4 et du carbone-12, les physiciens de la collaboration ATOMKI observent depuis 2020 des événements en excès — comme si, lors de la désintégration d'un noyau excité, quelque chose d'autre naissait parfois, en plus des photons ordinaires.
Dans une chambre d'hôpital, il fait +40°C, dans une autre +10°C, et en moyenne, on obtient +25°C. Si la température influençait quelque chose de manière non linéaire — par exemple, la vitesse de prolifération des bactéries — la valeur moyenne donnerait une prévision erronée.
Dans un verre d'eau salée, même s'il est immobile, il se passe constamment quelque chose. Les minuscules particules de sel — les ions — flottent et se heurtent, ce qui fait courir des ondulations à la surface de l'eau. Ces ondulations sont invisibles, mais elles créent une force qui attire ou repousse les objets qui se trouvent à proximité.
