Asymétrie baryonique de l’univers

Anneau de matière noire supposé être associé à l’asymétrie baryonique.

L’asymétrie baryonique de l’univers est le phénomène observé de la prédominance de la matière sur l’antimatière dans l’univers.

Les baryons et leurs antiparticules

Le baryon est une famille de particules élémentaires dont les principales propriétés sont la participation à l’interaction forte et la présence d’un spin demi-entier (fermion) ; les baryons sont également constitués de trois quarks, parfois de cinq. Les particules de ce type comprennent le proton, le neutron, l’hypéron sigma/xi/oméga et le baryon lambda. Avec les électrons, les baryons constituent la matière, sous la forme qui nous est familière, la matière baryonique.

Cependant, comme chacun sait, il existe un autre type de matière : l’antimatière ou antimatière. Le premier pas vers cette découverte a été la découverte du positron en 1932 par Carl Anderson. Par la suite, d’autres antiparticules ont été découvertes et de l’antihydrogène a même été synthétisé.

La présence d’antimatière dans l’univers doit nécessairement s’inscrire dans les modèles cosmologiques de sa formation — d’où la question de l’asymétrie des baryons dans l’univers.

Matière et énergie dans l’Univers

Formation de la matière et de l’antimatière

Sur la base des résultats de l’observation de l’Univers visible, les scientifiques peuvent affirmer avec certitude que l’antimatière ne se forme pas vraiment de manière stable dans la nature. Elle n’existe pas dans notre galaxie et au-delà. L’existence de toutes les antiparticules connues de la physique a été confirmée expérimentalement, à l’aide d’installations spéciales telles que des accélérateurs. Même si des antiparticules sont détectées plus tard dans la nature, quelque part en dehors de la Voie lactée, la formation de tels «amas» d’antimatière n’a pas de fondement certain. La prédominance apparente des particules sur les antiparticules dans l’Univers ne peut être expliquée même à l’aide des deux principales théories cosmologiques : la théorie générale de la relativité et le modèle standard.

L’antimatière dans un réacteur spécial. C’est la substance la plus chère au monde : un milligramme d’antimatière coûte 25 millions de dollars.

En se basant sur la théorie du Big Bang et en tenant compte des lois connues de la thermodynamique, les scientifiques ont constaté que le nombre de baryons à ce moment-là était approximativement égal au nombre de photons. Très probablement, la matière et l’antimatière étaient initialement représentées en quantités égales et leurs particules (baryons et antibaryons) se sont annihilées lors de la collision. C’est pourquoi la plupart des baryons ont été annihilés, tandis que les photons, en dépit d’une absorption et d’une réémission constantes, ont été conservés presque dans leur quantité d’origine. En analysant les résultats des observations et des calculs théoriques, les physiciens sont parvenus à la conclusion que le nombre de photons dépasse d’un milliard de fois le nombre de baryons.

Cette découverte signifie qu’à un moment donné, les baryons sont devenus un milliardième de plus que leurs antiparticules, et c’est ce milliardième qui n’a pas trouvé de paire à annihiler. Par un effet inexploré, la matière a été conservée sous forme de baryons, créant les conditions de l’émergence de la vie dans l’Univers. Tout aurait pu se passer différemment, et il ne serait resté au monde qu’un gaz raréfié de protons et d’antiprotons et des photons.

La matière baryonique permettant la présence d’une vie intelligente, cette dernière s’est néanmoins formée et s’est rapidement interrogée sur l’effet même qui permettait la prédominance de la matière sur l’antimatière à hauteur d’un milliardième de part

Violation de l’invariance CP

En physique des particules élémentaires, il existe un concept de «parité combinée», qui implique l’invariance des diverses interactions par rapport aux symétries suivantes :

• P — parité. Une symétrie qui crée un reflet miroir du système physique considéré.
• C — conjugaison de charge. Symétrie selon laquelle une particule peut se transformer en antiparticule.
• T — symétrie. Signifie le remplacement de la valeur du temps t pa r-t, c’est-à-dire l’inversion du temps.

Schéma de désintégration d’un noyau de cobalt

Étant donné que les équations physiques conservent leur forme lors de l’inversion du système dans un miroir, on a théorisé que la réflexion dans un miroir de toute réaction se déroulerait de la même manière que la réaction elle-même. Jusqu’en 1956, on pensait que les interactions forte, faible et électromagnétique agissaient de la même manière à la symétrie P. Cependant, le traitement des données par les scientifiques chinois Zhengdao Li et Zhenning Yang a permis de constater que la conservation de la symétrie P dans les interactions faibles n’était pas confirmée expérimentalement. La même année, une équipe de physiciens américains et chinois a réalisé une expérience basée sur la désintégration bêta de noyaux de cobalt 60 (interaction faible), qui a montré une violation significative de la symétrie P.

Le scientifique soviétique Lev Landau s’est attelé à la résolution de ce problème de symétrie. En 1957, il a proposé une théorie sur une symétrie supplémentaire, telle que sa combinaison avec la symétrie P serait préservée lors de l’interaction faible. Cette symétrie est la conjugaison de charge (symétrie C).

Cependant, seulement sept ans plus tard, en 1964, les physiciens américains James Cronin et Val Fitch, menant une expérience sur la désintégration des kaons neutres, ont découvert la violation de l’invariance CP. Cette découverte permet de comprendre la raison pour laquelle le déséquilibre observé entre la matière et l’antimatière dans l’univers a pu se produire.

Les travaux de Sakharov

Le problème de l’asymétrie des baryons dans l’Univers a été traité par l’éminent théoricien soviétique Andreï Sakharov, qui a contribué à la création de la bombe à hydrogène et s’est distingué par ses travaux dans le domaine de la fusion thermonucléaire contrôlée, de la physique des plasmas, de l’hydrodynamique magnétique et d’autres encore. C’est lui qui a fait le lien entre le déséquilibre particule-antiparticule et la violation de la symétrie CP. Outre la violation de la symétrie CP, Sakharov a mis en évidence dans ses travaux deux autres conditions nécessaires à la présence d’une asymétrie baryonique, à savoir :

• Le nombre de baryons doit être violé parce qu’à un moment donné, il y a un peu plus de baryons que d’antibaryons. Il s’agit d’un nombre quantique égal à la différence entre les quarks et les antiquarks (qui constituent les baryons) dans le système. Théoriquement, une telle violation est possible dans la théorie de la grande unification, selon laquelle trois interactions à haute énergie (supérieure à 10 14 GeV ) se combinent en une seule interaction. Dans ce cas, il est probable que la grande unification ait eu lieu dans les premiers stades de la formation de l’Univers, lorsque le déséquilibre en question s’est produit. Plus tard, les scientifiques ont calculé que seulement 100 GeV suffisent pour briser le nombre de baryons à l’interaction faible. La violation du nombre de baryons n’a pas été observée par les physiciens. La possibilité de son existence implique la possibilité d’une désintégration du proton ou d’une transformation aléatoire du neutron en antineutron, et vice versa.

Étapes du développement de l’Univers du point de vue de l’interaction entre les particules. Agrandir l’image.

• Violation de l’équilibre thermodynamique de l’univers aux premiers stades de sa formation. Après la découverte de la violation de l’invariance CP, il a été décidé de déterminer une troisième symétrie qui, combinée aux deux autres, préserverait les actions de trois interactions. Cette symétrie est devenue la symétrie T. C’est ainsi qu’est né le théorème CPT, qui énonce l’invariance de trois interactions par rapport à la combinaison des symétries C, P et T. Ensuite, si le système tend vers l’équilibre thermodynamique, il devient de plus en plus symétrique. Par conséquent, l’émergence de l’asymétrie baryonique nécessiterait une violation de l’équilibre thermique dans l’Univers primitif. Elle était théoriquement possible à des températures relativement basses à l’origine de l’Univers.

Ainsi, les conditions énoncées ci-dessus par Andrei Sakharov conduisent à une asymétrie baryonique de l’Univers. Bien que ces conditions puissent être théoriquement satisfaites aux premiers stades de la formation de l’Univers, leur validité n’a pas encore été confirmée expérimentalement.

Il existe un certain nombre d’autres théories sur le déséquilibre existant entre la matière et l’antimatière dans l’Univers, y compris l’hypothèse sur les conditions initiales de l’asymétrie. En 2010, une hypothèse liant l’asymétrie baryonique à la matière noire est apparue. La vérification de ces hypothèses est effectuée au Grand collisionneur de hadrons, et d’autres hypothèses sont construites sur la base des résultats de ses expériences.

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Date de publication: 12-26-2023

Mettre à jour la date: 12-26-2023