La saga du Big Bang

  La matière prend le pas sur l’antimatière



 

 

 

Dans la soupe primordiale, les particules et leurs antiparticules se créent puis s’annihilent sans arrêt à partir de pure énergie. En quelque sorte, les unes sont un peu l’image des autres dans un miroir. Matière et antimatière étaient toutes deux présentes en quantités égales au départ. Seulement, pour une raison inconnue, la première a pris le pas sur la seconde… Celle-ci a presque disparu en raison d’une subtile différence de comportement. Comment et pourquoi ? C’est là tout un mystère à l’origine de notre existence même

Qu’est-ce que l’antimatière ?
Petite histoire d’un curieux double du monde ordinaire

L’histoire de l’antimatière a commencé en 1928, sous l’impulsion du jeune Britannique Paul Dirac (1902-1984). Jusqu’alors, pour expliquer les substances que nous, voyons, goûtons et touchons, il n’y avait besoin que d’atomes. Ceux-ci sont constitués d’électrons, protons et neutrons. Cependant, Dirac se penche sur l’équation qui régit le destin de la matière… et qui lui vaudra le prix Nobel de physique en 1932. Surprise : Cette formule «magique» se comporte de façon "symétrique". Elle prédit tout autant l’existence de l’électron que celle de l’antiélectron - le positron, doté d’une masse identique et d’une charge électrique opposée. De même, les protons sont associés à des antiprotons. Cette vision prévoit un double du monde usuel. Une copie qui lui ressemble trait pour trait. La seule différence est que l’antimonde se révèle comme le reflet dans un miroir de la population des particules ordinaires. Dans l’enthousiasme du début XXe siècle ceci découle directement de la théorie de la relativité d’Einstein et de la mécanique quantique.

La confirmation vient en 1932. Le Californien Carl Anderson repère la trace d’une particule porteuse de charge positive - l’antiélectron - dans les rayons cosmiques qui tombent du ciel et «arrosent» l’atmosphère. Cette découverte sera saluée par le Nobel 1936.
Aujourd’hui, toutes les particules élémentaires ont révélé leur «sosie». Elles s’en distinguent par les nombres quantiques dits de "charge" (électrique, baryonique, leptonique…). La masse, elle, reste inchangée. Le photon est sa propre antiparticule. Matière et antimatière ont le même nombre quantique de rotation (spin). Et la même durée de vie.

L’annihilation
Immédiatement, l’antimatière apparaît comme une source providentielle d’énergie. Elle constitue un exact opposé de la matière. À son contact, les deux se détruisent – « s’annihilent » - en libérant une puissance colossale. Ceci résulte de la fameuse équation d’équivalence masse-énergie (E=mc2) posée par Albert Einstein en 1905. D’une manière triviale, l’énergie correspond à l’argent que dépense mère nature. Il circule sous deux monnaies entre lesquelles s’applique un taux de change élevé (carré de la vitesse de la lumière). Et l’annihilation assure une conversion très efficace. Voilà pourquoi, sur le papier, la combustion d’un kilogramme de sucre peut propulser une voiture pendant 100 000 ans. Ou générer 25 milliards de kilowattheures et alimenter une ville pendant trois ans…

L’antimatière au quotidien
Avec des propriétés aussi fabuleuses, l’antimatière n’a pas tardé à stimuler les imaginations les plus folles. Et la science-fiction. Dans Star Trek, série télévisée créée en 1966 par Gene Roddenberry, le vaisseau Enterprise se propulse à des vitesses supérieures à celles de la lumière par déformation de l’espace,… puis en consommant de l’antimatière… Bien évidemment, en dépit d’essais opiniâtres, on reste loin de réaliser de tels exploits. Aux États-Unis, dans les années 80, le programme de Guerre des étoiles a étudié la possibilité d’utiliser l’antimatière comme carburant de fusées, ou pour actionner des plateformes d’armes. Heureusement, il a échoué. Mais d’autre part, des expériences plus pacifiques sont régulièrement conduites au Cern de Genève. Elles aboutissent à produire, en un an, assez d’antiprotons pour… allumer une ampoule de 100 watts pendant trois secondes. Le rendement avoisine 0,000 000 01 %. Pas de quoi pavoiser. La machine à vapeur du XIXe siècle s’avère des millions de fois plus efficace en termes de labeur.

Pour nous consoler, il reste l’application quotidienne de la Tomographie par émission de positrons (TEP). Cette technique d’imagerie médicale "photographie" le cerveau en train de penser. Un fluide radioactif est introduit dans le corps du patient. Les positrons s’annihilent avec les électrons environnants. Le résultat est une émission d’énergie gamma. Oublions, par contre, les "cerveaux positroniques", bien plus sophistiqués que ceux des humains, qui faisaient fantasmer Isaac Asimov avec le cycle des Robots dans les années 40. Réjouissons-nous, en revanche, de constater que, sans arrêt au-dessus de nos têtes, les rayons cosmiques et les explosions de supernovae créent des antiélectrons à profusion.

Antimatière, où es-tu ?
Reste un brûlant paradoxe. Comment la jolie équation de Dirac, si harmonieuse, a-t-elle abouti à un Univers aussi bancal ? Comment la matière a-t-elle pris le pas sur sa consœur-ennemie ? A l’échelle cosmique, plus une once d’antimatière ne subsiste. Sauf de rares monstruosités, telles que le voisinage du trou noir au cœur de notre galaxie, l’antimatière reste désespérément absente. C’est heureux. Mais c’est aussi un drame pour la théorie : à l’aube des temps matière et antimatière devraient être présentes en poids égal. Elles se créaient et s’autodétruisaient sans cesse dans un bouillonnement effervescent.
Où est passée l’antimatière primordiale ? "Antimatière, où es-tu ?", entend-on s’écrier avec effroi. La réponse tient à une subtile et infime différence de comportement entre les deux faces de la même pièce. Les sœurs opposées ne seraient pas si jumelles. Plusieurs expériences ont indiqué que, dans certains cas, l’antimatière se démarque de sa double. Finie, la pâle copie. Le miroir se fêle. Et ces "violations de symétries" fascinent. Car elles sont un avant-goût de découvertes à venir. Certes a priori le big bang n’aurait pu produire les deux espèces qu’avec une grande équité. Mais ensuite, à mesure que le cosmos s’est étendu et refroidi, son contenu a réagi pour s’adapter. L’anomalie de la matière s’est manifestée. Sa consoeur a été engloutie. Elle a disparu. Et ceci n’a laissé que des quarks sans antiquarks. Des électrons sans antiélectrons. Notre corps, même, représente ce reliquat de l’immensité primordiale. L’essentiel s’est envolé. On estime que la dissonance, fausse note initiale, qui affectait la matière ne dépasse pas une partie pour un milliard. 0,000 000 001. C’est le mince surcroît de force dont elle a bénéficié pour… anéantir sa sœur.


Ainsi s’expliquerait cette hégémonie écrasante dans l’Univers. D’ailleurs, si l’antimatière avait survécu, elle nous annihilerait tous dans un flash. Et nous ne nous appesantirions pas sur le sujet. C’est Andreï Sakharov, père de la bombe à hydrogène soviétique, et Nobel de la paix, qui le premier a donné une interprétation cosmologique de cette drôle d’inclination, ou penchant, de la nature. Précisons que les expériences de distinction entre matière et antimatière n’ont mis en œuvre jusqu’ici que l’interaction nucléaire faible. Or l’ordre de grandeur du résultat est tout à fait insuffisant si l’on veut rendre compte du schisme réel. La vraie dissymétrie, dont nous sommes issus, remonterait en fait jusqu’à l’ère de grande unification des forces d’interaction (nucléaires forte, faible et électromagnétique). Autrement dit, des énergies beaucoup plus élevées et… hors d’atteinte.

Une entêtante énigme
Aux origines de notre existence

En 1966, Andreï Sakharov a pris en considération un tel univers unifié, régi par une seule force à côté de la gravité. Il en a déduit les trois conditions pour que la matière vienne à prédominer. D’abord, elle doit être très légèrement instable. Le phénomène est lent. Mais sur Terre, la valeur d’une miette de pain devrait s’être volatilisée depuis que notre planète existe. Des expériences souterraines, telles que le tunnel de Modane au Mont Fréjus, dans les Alpes françaises, ont longtemps traqué une désintégration spontanée du proton sur 1031 ans. Mais, il faut bien l’avouer : en vain. La seconde condition posée par Sakharov paraît une évidence : l’Univers, dans sa prime jeunesse, se trouvait loin de l’équilibre… Euphémisme, vu la violence de son expansion ! Enfin, la troisième condition n’est autre q’une subtile différence attendue à l’échelle microscopique entre matière et antimatière.

La confirmation est venue de James Cronin et Val Fitch, au laboratoire de Brookhaven, à New York, en 1964. La démarche, qui a mené au Nobel 1980, était d’étudier la désintégration d’un méson neutre K ou kaon (composé d’un quark « bas » et d’un antiquark «étrange») à durée de vie longue. Ceci met en jeu un phénomène exotique de mélange entre quarks et antiquarks. Le kaon « oscille » entre kaon et antikaon. En outre, il se désintègre de préférence en positron plutôt qu’en électron… Ceci implique deux brisures de symétries fondamentales : l’image dans un miroir, ou inversion droite-gauche, et l’échange de la particule avec son antiparticule. Ces opérations sont appelées parité (P) et conjugaison de charge (C). Il existe une troisième symétrie intéressante, l’inversion du temps (T). Or, les lois de la nature sont toujours invariantes quand on effectue la transformation combinée charge-parité-temps (CPT). Longtemps, on a même cru que l’Univers respectait chacune d’elle. Il n’en est rien. Cronin, Fitch et leur collègue français René Turlay ont montré que certains processus violent la symétrie charge-parité (CP).

Si bien que les contours du scénario de disparition de l’antimatière peuvent commencer à s’esquisser. À l’ère de grande unification, 10-35 seconde après le big bang, il règne une température de 1027 degrés et l’énergie ambiante avoisine 1016 milliards d’électronvolts. Les interactions nucléaires et électromagnétiques se confondent à côté de la gravité. À ce stade, les quarks sont indiscernables des positrons. Et les antiquarks des électrons. Les uns se transforment allègrement en les autres. De même que les neutrinos « fantômes » oscillent en trois «saveurs» distinctes. La dissymétrie matière-antimatière est alors invisible. Puis le temps fait son office. Dans cette chronologie, il apparaît des réactions irréversibles. Du coup, les positrons se transforment davantage en quarks que les électrons en antiquarks. Ainsi va la vie. Une dissymétrie inéluctable naît. Qui décide de l’avenir.

Selon les derniers progrès de la réflexion en cours : ce pourrait être les neutrinos eux-mêmes – anges de la matière insaisissables dotés d’une très faible masse – qui incarnent les vrais responsables du déséquilibre fatal à l’antimatière. Ces corpuscules, difficiles à atteindre, évoluent dans un monde qui interagit faiblement avec notre quotidien. Et ils seraient, en définitive, à l’origine de notre existence !.. Des expériences d’une sensibilité et d’une dimension inégalées sont proposées pour confirmer ce point. Des «usines à neutrinos» et un détecteur d’un million de tonnes (projet mégatonne) pourraient être mise en oeuvre dans les 20 prochaines années en France (mont Fréjus), au Japon ou aux États-Unis.


Zoom : BaBar traque les coquetteries de l'antimatière

Zoom : Expérience LHCb au CERN

Zoom : Station spatiale internationale : à la recherche des antimondes


Pour en savoir plus :

Le satellite Intégral révèle une fabrique d'antimatière au sein de la Voie Lactée
Communiqué de presse du 10 janvier 2008

Enigmes de l'antimatière : mesures inégalées au Tevatron
Communiqué de presse du 17 mai 2006

La violation de CP
Jacques Chauveau (IN2P3) et Raphaël Granier de Cassagnac (IN2P3) - Article paru dans Images de la physique 2002