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

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Au tout début de l'univers, peu après le Big Bang, la «matière» et «l'antimatière» existaient toutes deux en quantité égale. Cependant, pour des raisons inconnues jusqu'à présent, la 'matière' domine l'univers actuel. Les chercheurs de T2K ont récemment montré l'occurrence d'une possible violation de la charge-parité dans les neutrinos et les oscillations anti-neutrino correspondantes. C'est un pas en avant pour comprendre pourquoi la matière domine l'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 l'univers que nous connaissons aujourd'hui est dominé par la « matière ». Pourquoi? C'est l'un des mystères les plus intrigants de l'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 production de matière et d'antimatière à des rythmes différents) se produise dans l'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 sont désintégrés extrêmement lentement en particules subatomiques plus légères comme un pion neutre et un positon. De même, un antiproton s'est désintégré en un pion et un électron. La deuxième condition est la violation de la symétrie de conjugaison de charge, C, et de la symétrie de conjugaison de charge-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 diminuant l'occurrence de l'annihilation des 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 dit en outre 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 montrent 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 dans les leptons (neutrinos) devient importante et si elle est prouvée, cela expliquera pourquoi l'univers est dominant dans la matière.

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 trouvé le décalage ou une préférence pour l'amélioration du taux de neutrinos qui peut éventuellement conduire à la confirmation de la violation de CP dans la façon dont les neutrinos et les antineutrinos oscillent. 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 réalisation marquante, car la confirmation de la violation de CP impliquant des neutrinos est liée à la domination de la matière dans l'univers. D'autres expériences avec une plus grande base de données testeront si cette violation de symétrie leptonique de CP est plus importante que la violation de CP dans les quarks. Si c'est le cas, nous aurons enfin la réponse à la question Pourquoi l'univers est-il dominant dans la matière ?

Bien que l'expérience T2K n'établisse pas clairement qu'une violation de la symétrie CP s'est produite, mais c'est une étape importante dans le sens où elle montre de manière concluante une forte préférence pour le taux de neutrons électroniques amélioré et nous rapproche pour prouver l'occurrence de la violation de la symétrie CP et finalement à la répondre « pourquoi l'univers est dominé par la matière ».

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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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