La disparition de l'antimatière

C'est cet article de la revue Nature publié le 16 avril 2020 qui a attiré mon attention: 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                 

Il s'agit de "la violation de la symétrie matière-antimatière dans les neutrinos" que je vais tenter de vous expliquer. 

Qu'est-ce que l'antimatière?

C'est le physicien britannique Paul Dirac (prix Nobel de Physique 1933) qui imagina et prédit dès 1927 l'existence de l'antimatière. Elle est constituée d'antiparticules.

A  chaque particule de matière on peut associer une antiparticule, sa "soeur jumelle". Particule et antiparticule associées ont même masse, même spin (caractéristique quantique), mais des charges opposées.

À un électron, un proton, un quark, un neutrino, on peut associer respectivement un anti-électron, un antiproton, un antiquark, un antineutrino.

À un atome d'hydrogène formé d'un proton autour duquel gravite un électron (en rouge sur la figure), on peut associer un atome d'antihydrogène formé d'un antiproton autour duquel gravite un anti-électron (en vert).

 

 

 

 

Les oscillations du neutrino et de l'antineutrino

Le neutrino peut prendre trois "saveurs": la saveur électronique, la saveur muonique et la saveur tauique suivant qu'il est associé à l'électron, au muon ou au tau. Il est appelé respectivement: neutrino électronique, neutrino muonique et neutrino tauique.

L'oscillation d'un neutrino est le passage du neutrino d'une saveur à une autre.

On définira, de même, les saveurs et les oscillations de l'antineutrino. 

L'expérience T2K 

L'expérience T2K se déroule au Japon où plus de 500 physiciens du Japon, de l'Europe, des États-Unis collaborent depuis plusieurs années.

Un accélérateur de particules, le J-PARC, situé sur la côte Est du Japon produit deux faisceaux de neutrinos et d'antineutrinos muoniques envoyés alternativement dans le détecteur Super-Kamiokande situé sur la côte Ouest à 295 km:

Le Super-Kamiokande est une cuve cylindrique immense de 40m de haut, 40m de diamètre et remplie de plus de 50 000 tonnes d'eau purifiée. Cette cuve est implantée à 1000 m de profondeur et est tapissée de 13 000 détecteurs. Vous pouvez voir sur la photo deux techniciens dans une barque flottant sur une eau ultra-pure au-dessus des détecteurs. Vous avez une idée de la taille de la cuve!

Un nombre significatif de neutrinos électroniques a été observé dans le Super-Kamiokande, beaucoup plus que d'antineutrinos électroniques, beaucoup plus que prévu. Ce qui montre que les neutrinos muoniques ont oscillé bien plus souvent que les antineutrinos muoniques.

Cette expérience a été faite de nombreuses fois, au cours de plusieurs années, et dans des conditions différentes, pour arriver au même constat.

 

L'asymétrie matière-antimatière

C'est cette différence entre le grand nombre d'oscillations du neutrino et le nombre beaucoup plus petit d'oscillations de l'antineutrino qui montre un comportement différent, une asymétrie entre le neutrino et l'antineutrino. Il y a donc une asymétrie entre toute particule de matière et l'antiparticule associée.

Que s'est-il passé au début du Big Bang?

Au tout début du Big Bang, dans les toutes premières fractions de seconde, matière et antimatière se sont annihilées, seul un résidu de matière a donné naissance à toute la matière actuelle, à la nature, à la vie, à l'univers qui nous entoure. Que s'est-il passé?

Dans l'affrontement matière-antimatière, ce sont les particules de matière qui ont beaucoup plus d'oscillations que les particules d'antimatière associées qui ont subsisté.

La probabilité d'existence d'une particule de matière est beaucoup plus forte que celle de l'existence de l'antiparticule associée. C'est une probabilité quantique.

L'Hyper-Kamiokande

La recherche ne s'arrête pas là, dans quelques années le Super-Kamiokande sera remplacé par l'Hyper-Kamiokande déjà en construction. Ce n'est pas de la science-fiction! Il sera beaucoup plus performant, sa cuve contiendra 260 000 tonnes d'eau ultra pure!