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Pourquoi la « matière » domine l'univers et non « l'antimatière » ? En quête de pourquoi l'univers existe

Au tout début univers, peu après le Big Bang, le 'matière» et « l'antimatière » existaient toutes deux en quantité égale. Cependant, pour des raisons inconnues jusqu'à présent, le 'matière" domine le présent univers. Les chercheurs de T2K ont récemment montré l'apparition d'une possible violation de la parité de charge dans les neutrinos et des oscillations anti-neutrinos correspondantes. C'est un pas en avant pour comprendre pourquoi matière domine le univers.

Le Big Bang (qui s'est produit il y a environ 13.8 milliards d'années) et d'autres théories de la physique connexes suggèrent que les premiers univers le rayonnement était « dominant » et le « »matière' et le 'antimatière' existait en quantité égale.

Mais univers que nous savons aujourd'hui est la « matière » dominante. Pourquoi? C'est l'un des mystères les plus intrigants de univers. (1).

Le univers que nous connaissons aujourd'hui a commencé avec des quantités égales de «matière» et «d'antimatière», les deux ont été créées par paires comme l'exigerait la loi de la nature, puis ont été annihilées à plusieurs reprises, produisant un rayonnement connu sous le nom de «rayonnement de fond cosmique». En l'espace d'environ 100 microsecondes après le Big Bang, la matière (particules) a en quelque sorte commencé à être plus nombreuse que l'antiparticule, disons une sur chaque milliard, et en quelques secondes, toute l'antimatière a été détruite, ne laissant derrière elle que de la matière.

Quel est le processus ou le mécanisme qui créerait ce genre de différence ou d'asymétrie entre la matière et l'antimatière ?

En 1967, le physicien théoricien russe Andrei Sakharov a postulé trois conditions nécessaires pour qu'un déséquilibre (ou une production de matière et d'antimatière à des rythmes différents) se produise dans le monde. univers. La première condition de Sakharov est la violation du nombre baryonique (un nombre quantique qui reste conservé dans une interaction). Cela signifie que les protons se désintègrent extrêmement lentement en particules subatomiques plus légères comme un pion neutre et un positron. De la même manière, un antiproton se désintègre en pion et en électron. La deuxième condition est la violation de la symétrie de conjugaison de charges, C, et de la symétrie de conjugaison de charges-parité, CP également appelée violation de charge-parité. La troisième condition est que le processus qui génère l'asymétrie baryonique ne doit pas être en équilibre thermique en raison d'une expansion rapide réduisant l'apparition d'annihilation de paires.

C'est le deuxième critère de Sakharov de violation de CP, qui est un exemple d'une sorte d'asymétrie entre les particules et leurs antiparticules qui décrit la façon dont elles se désintègrent. En comparant la façon dont les particules et les antiparticules se comportent, c'est-à-dire la façon dont elles se déplacent, interagissent et se désintègrent, les scientifiques peuvent trouver des preuves de cette asymétrie. La violation de CP fournit une preuve que certains processus physiques inconnus sont responsables de la production différentielle de matière et d'antimatière.

Les interactions électromagnétiques et « fortes » sont connues pour être symétriques sous C et P, et par conséquent elles sont également symétriques sous le produit CP (3). ''Cependant, ce n'est pas nécessairement le cas pour 'l'interaction faible', qui viole à la fois les symétries C et P'' dit le professeur BA Robson. Il ajoute que « la violation de CP dans les interactions faibles implique que de tels processus physiques pourraient conduire à une violation indirecte du nombre de baryons, de sorte que la création de matière serait préférée à la création d'antimatière ». Les particules non-quarks ne présentent aucune violation de CP alors que la violation de CP dans les quarks est trop petite et insignifiante pour avoir une différence dans la création de matière et d'antimatière. Ainsi, la violation de CP chez les leptons (neutrinos) devient important et si cela est prouvé, cela expliquerait pourquoi le univers est la matière dominante.

Bien que la violation de la symétrie CP n'ait pas encore été prouvée de manière concluante (1), les résultats rapportés par l'équipe T2K montrent récemment que les scientifiques en sont très proches. Il a été démontré pour la première fois que le passage de la particule à l'électron et au neutrino est favorisé par rapport au passage de l'antiparticule à l'électron et à l'antineutrino, grâce à des expériences très sophistiquées à T2K (Tokai à Kamioka) (2). T2K fait référence à une paire de laboratoires, le Japanese Proton Accelerator Research Complex (J-Parc) en Tokai et l'observatoire souterrain de neutrinos de Super-Kamiokande dans le Kamioka, Japon, séparés d'environ 300 km. L'accélérateur de protons de Tokai a généré les particules et les antiparticules des collisions à haute énergie et les détecteurs de Kamioka ont observé les neutrinos et leurs homologues de l'antimatière, les antineutrinos, en effectuant des mesures très précises.

Après l'analyse de plusieurs années de données à T2K, les scientifiques ont pu mesurer le paramètre appelé delta-CP, qui régit la rupture de symétrie CP dans l'oscillation des neutrinos et ont découvert une inadéquation ou une préférence pour l'augmentation du taux de neutrinos qui peut éventuellement conduire à la confirmation de la violation de CP dans la manière dont les neutrinos et les antineutrinos oscillaient. Les résultats trouvés par l'équipe T2K sont significatifs avec une signification statistique de 3-sigma ou un niveau de confiance de 99.7 %. Il s'agit d'une étape importante dans la mesure où la confirmation de la violation de CP impliquant des neutrinos est liée à la domination de la matière dans le univers. D'autres expériences avec une base de données plus grande permettront de tester si cette violation de symétrie leptonique CP est plus grande que la violation CP dans les quarks. Si tel est le cas, nous aurons enfin la réponse à la question Pourquoi le univers est la matière dominante.

Bien que l'expérience T2K n'établisse pas clairement qu'une violation de la symétrie CP s'est produite, elle constitue une étape importante dans le sens où elle montre de manière concluante une forte préférence pour un taux de neutrons électroniques amélioré et nous rapproche de la preuve de l'apparition d'une violation de la symétrie CP et, finalement, de la répondre "pourquoi le univers est la matière dominante ».

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Références:

1. Université de Tokyo, 2020. ''T2K Results Restrict Possible Values ​​of Neutrino CP Phase -…..'' Communiqué de presse publié le 16 avril 2020. Disponible en ligne sur http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/8799/ Consulté le 17 avril 2020.

2. The T2K Collaboration, 2020. Contrainte sur la phase de violation de la symétrie matière-antimatière dans les oscillations de neutrinos. Nature volume 580, pages 339-344 (2020). Publication : 15 avril 2020. DOI : https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0

3. Robson, BA, 2018. Le problème d'asymétrie matière-antimatière. Journal of High Energy Physics, Gravitation and Cosmology, 4, 166-178. https://doi.org/10.4236/jhepgc.2018.41015

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