Le Cern a tout récemment publié son rapport sur la faisabilité d’un éventuel Futur collisionneur circulaire (FCC), un projet de collisionneur de particules d’une circonférence d’environ 91 kilomètres qui pourrait succéder dans les années 2040 au Grand collisionneur de hadrons (LHC). Ce projet est polémique, mais aussi porteur d’espoir.
Futura y reviendra bientôt, mais le FCC sera théoriquement en mesure de tester certains modèles proposés par les physiciensphysiciens pour résoudre ce que l’on appelle l’énigme de l’antimatière cosmologique. La physique connue nous dit en effet que le Big BangBig Bang aurait dû fabriquer autant de matièrematière que d’antimatière. Où sont passées les anti-étoilesétoiles et les anti-galaxiesgalaxies ?
Les chercheurs du Cern planchent déjà sur ce sujet depuis des décennies et en particulier en analysant les résultats des collisions de protonsprotons dans le détecteur géant du LHC, appelé LHCb. Et justement, à la fin de ce mois de mars 2025, un communiqué du Cern fait savoir que des progrès intéressants ont été annoncés concernant l’énigme de l’antimatière scrutée avec LHCb lors des mythiques Rencontres de Moriond qui se déroulent chaque année à La Thuile, en Italie. Les Rencontres de Moriond permettent de présenter les derniers travaux de la communauté des physiciens des particules et de faire le point sur l’état d’avancement de la recherche dans le domaine.
L’expérience LHCb et l’énigme de l’asymétrie matière-antimatière. Pour voir les sous-titres en français, cliquez sur CC dans la barre en bas de la vidéo. © CernTV-YouTube
LHCb et les hadrons violant la symétrie CP
Comme nous allons l’exposer plus en détail un peu plus loin, l’un des ingrédients fondamentaux des théories proposées généralement pour expliquer la quasi-absence d’antimatière dans l’UniversUnivers observable fait intervenir ce que les physiciens dans leur jargon appellent la violation de la symétrie charge-parité (CP).
Jusqu’à présent, on ne l’observait que dans certains mésonsmésons, c’est-à-dire des particules faites de deux quarks, alors que les baryonsbaryons sont faits de trois quarksquarks. La violation est impliquée par la présence de certains quarks dans les mésons, par exemple les quarks dits « beaux », encore appelés les quarks b parce qu’ils possèdent une propriété que les physiciens ont baptisée la beauté. Comme ils pouvaient aussi se retrouver dans certains baryons, on s’attendait à trouver des violations de la symétrie CPviolations de la symétrie CP dans ces hadrons aussi, mais cela n’avait jamais été confirmé par les expériences jusqu’à ce jour, alors que pour les mésons, ce fut le cas dès les années 1960.
Les raisons de ce délai sont expliquées dans le communiqué du Cern par Vincenzo Vagnoni, porteporte-parole de la collaboration LHCb : « S’il a fallu plus de temps pour observer la violation de CP dans les baryons que dans les mésons, c’est à cause de la dimension du phénomène et du volumevolume de données disponibles. Nous avions besoin d’une machine comme le LHC qui soit capable de produire un nombre suffisamment important de baryons de beauté et de leurs équivalents dans l’antimatière, et nous avions besoin d’une expérience qui soit capable de repérer leurs produits de désintégration. Il a fallu plus de 80 000 désintégrations de baryons pour que nous puissions observer pour la première fois une asymétrie matière-antimatière dans cette catégorie de particules. »
La collaboration LHCb a finalement observé la violation de CP dans un baryon plus lourd et plus éphémère que les protons et les neutronsneutrons, le baryon lambda Λb, composé d’un quark upquark up, d’un quark downquark down et d’un quark beauté, précise le Cern qui ajoute que les physiciens ont passé au crible les données collectées par le détecteur LHCb à la recherche de la désintégration du Λb en un proton, un kaon et une paire de pions de charge opposée, ainsi que de la désintégration de son équivalent dans l’antimatière, l’anti-Λb.
Or, il se trouve que Λb et anti-Λb ne se désintègrent pas avec les mêmes taux et l’effet est établi avec une statistique de 5,2 sigma, comme on dit dans le jargon scientifique lorsqu’on teste une hypothèse avec des mesures accumulées. 5 σ est le seuil fixé pour une découverte, et il revient en gros à dire dans un détecteur que le signal observé a environ une chance sur un million d’être une fluctuation due au hasard dans le détecteur simulant un vrai signal.
Ce n’est pas la première fois que l’on fait des découvertes concernant la violation CP avec LHCb. Futura avait déjà donné des explications plus détaillées sur ces histoires et nous les reprenons maintenant.
C’est à tout juste 26 ans, en 1928, que Paul Dirac formule l’équation qui porte son nom. Et il lui a fallu une année entière pour y parvenir ! Dans ce 9e épisode des équations Clefs de la physique, découvrez l’histoire de l’équation de Dirac, qui permit de prédire l’existence de l’antimatière… Une véritable révolution ! © CEA
L’énigme de l’antimatière et la violation CP
Lorsqu’il a découvert sa version relativiste de l’équationéquation quantique de Schrödinger pour l’électronélectron en 1928, le physicien Paul DiracPaul Dirac ne s’attendait pas à ce qu’elle le conduise à prédire l’existence de l’antimatière. Parlant d’elle comme « plus intelligente que lui », Dirac ne s’attendait pas non plus à ce que l’équation portant désormais son nom lui donne automatiquement le spinspin et le moment magnétique de ce constituant fondamental des atomesatomes.
Démontrée expérimentalement quelques années plus tard seulement en étudiant les rayons cosmiquesrayons cosmiques, l’existence des antiparticulesantiparticules a rendu particulièrement perplexes les physiciens et les cosmologistes, notamment après l’accréditation de la théorie du Big Bang de Lemaître et Gamow, suite à la découverte du fameux rayonnement fossilerayonnement fossile en 1965. En effet, elle poussait à conclure qu’autant de matière que d’antimatière devaient exister au début de l’histoire de l’Univers observable. Or, particules et antiparticules auraient dû s’annihiler elles-mêmes quand la température du cosmoscosmos a baissé, ne laissant qu’un bain de photonsphotons. Où était donc bien passée l’antimatière ?
Dès 1966, le physicien russe Andreï Sakharov avait alors proposé un début de réponse à cette question avec ce que l’on appelle maintenant les trois conditions de Sakharov. L’une d’elles suppose une violation de la symétrie CP en physique des particules. On connaissait d’ailleurs l’existence de cette violation dans certains cas, en l’occurrence les mésons K, dès 1964, grâce aux travaux de James Cronin et Val Fitch, qui leur valurent le prix Nobel de physique. Mais de quoi s’agit-il vraiment ?
Les particules et la symétrie CP
En physique, tout comme en mathématique, les opérations de symétrie dans les équations jouent un rôle important pour définir ces équations et les lois de conservation qu’elles impliquent. L’équation de Dirac, qui permet d’associer à toute particule son antiparticule, permet alors de définir une opération dite de conjugaison de charge. Notée C, elle transforme une solution de l’équation décrivant une particule de charge Q en une solution décrivant une antiparticule de charge opposée – Q. On peut même définir une opération notée P, pour parité, qui permet de voir ce qui se passe pour un phénomène, une expérience, transposés par un miroirmiroir. Ainsi, le courant dans une boucle conductrice change de sens lorsque l’on regarde une boucle qui serait en miroir.
On peut considérer des expériences et des phénomènes qui seraient liés par l’applicationapplication de ces deux opérations, par exemple une expérience associée par symétrie CP à un courant d’électrons dans une boucle devient un courant de positronspositrons dans une boucle en sens inverse ou une particule comme un méson pipi négatif qui se désintègre en donnant un muonmuon, le cousin lourd de l’électron a pour correspondant un méson pi positif qui se désintègre en donnant un anti-muon positivement chargé. Une violation de la symétrie CP serait, par exemple, un taux de désintégration des deux mésons, l’un de matière, l’autre d’antimatière, qui ne serait pas le même.
Depuis 1964 et l’essor du modèle standardmodèle standard avec la découverte des quarks, des équations de la chromodynamique quantique décrivant les forces nucléaires entre ces quarks (et qui permettent de décrire le zoo des hadrons composés de ces quarks qui sont aussi sensibles à la force électrofaible qui les lie aussi aux leptonsleptons, comme les électrons et les neutrinosneutrinos), on a identifié plusieurs effets de la violation CP dans le monde des particules élémentairesparticules élémentaires connues.
Toutefois, le schéma théorique, qui décrit cette violation dans le modèle standard, n’est pas complètement fixé par lui et surtout tous les effets prédits sont encore en cours d’exploration. On sait aussi a priori, et pour le moment expérimentalement aussi, que les effets de violation CP du modèle standard ne sont pas assez forts pour résoudre l’énigme de l’antimatière en cosmologiecosmologie. Mais ils peuvent l’être avec d’autres particules dans des théories prolongeant le modèle standard, d’une manière que son étude précise nous donne des renseignements sur la nouvelle physique qui serait derrière ce phénomène.
L’observation faite aujourd’hui avec LHCb concernant des baryons est une nouvelle fenêtrefenêtre ouverte potentiellement sur une nouvelle physique au-delà du modèle standard et qui pourrait être encore mieux explorée avec d’abord des collisions d’électrons et de positrons à des énergiesénergies records que permettrait un futur FCC.
