Puisqu’on a découvert l’antiparticule associée à chaque particule et vérifié que les antiparticules interagissaient entre elles comme le font les particules, il est certain que tous les antinoyaux et tous les antiatomes ou antimolécules peuvent exister. Le problème est de savoir s’il y a réellement de l’antimatière en abondance dans l’Univers. Les interrogations à ce sujet viennent en fait de la cosmologie, qui est la science qui spécule sur la naissance et l’évolution du monde.
Les modèles de cosmologie ont en commun une explosion initiale, le Big-Bang. L’énergie libérée s’est matérialisée sous forme de paires quark-antiquark ou lepton-antilepton. Au cours du refroidissement qui a suivi, les quarks ont pu se regrouper trois par trois pour former les nucléons à l’origine de la matière.
Il y a encore quelques années, certaines symétries ou principes de conservation régissant la physique microscopique n’étaient pas remis en cause. C’était le cas, pour la symétrie CP , dont on a découvert qu’elle était en fait légèrement violée. C’était aussi le cas pour la conservation du nombre baryonique, qui implique qu’un quark ne peut apparaître ou disparaître qu’associé à un antiquark ou, si on raisonne de façon plus macroscopique, que la matière ne peut être créée ou détruite que combinée à exactement la même quantité d’antimatière. Dans ces conditions, si les planètes, les étoiles et les galaxies qui nous entourent sont faites de matière, il doit y avoir, peut-être très loin de nous, une masse égale d’antimatière.
Un nuage galactique d'antimatière
D’après les observations, on peut exclure qu’il y ait un contact entre de la matière et de l’antimatière dans l’Univers. À la zone de contact, des réactions d’annihilation se produiraient, créant en abondance des mésons PI 0, qui se désintègrent en deux photons très énergétiques et facilement identifiables. Or aucun signal de ce type n’est perçu dans les détecteurs de rayons « gamma » cosmiques.
La cosmologie moderne propose une alternative fondée sur une brisure des symétries fondamentales. Plus précisément, pour obtenir un Univers fait uniquement de matière, il faut réunir trois conditions : l’absence d’équilibre thermodynamique au début de l’Univers, la brisure de la symétrie de renversement du temps et, surtout, la non-conservation du nombre baryonique.
On arrive à concevoir assez facilement que, immédiatement après le Big-Bang, l’Univers, en pleine évolution, avec la transformation d’énergie en particules, et, surtout, en expansion, soit assez loin de ce qu’on appelle l’équilibre thermodynamique.
La violation de la symétrie de renversement du temps T est concevable à ces très hautes densités d’énergie, car elle a déjà été observée en laboratoire, grâce à des mesures de très haute précision. La violation de T est, en effet, équivalente à celle de CP si l’on croit que la symétrie CPT est exacte.
On reste cependant au niveau des spéculations pour la violation du nombre baryonique. Sous ce vocable se cache la prédiction spectaculaire que la matière serait instable ! Elle pourrait se transformer spontanément en énergie sans avoir besoin de s’annihiler avec de l’antimatière. La violation du nombre baryonique est prédite dans la plupart des théories dites « unifiées », où les forces fortes, faibles et électromagnétiques sont décrites comme les différentes facettes d’une même interaction. Cette unification se produit à une échelle d’énergie de l’ordre de 1015 GeV. Des expériences ont été entreprises pour détecter la désintégration du proton, phénomène certainement rarissime s’il se produit puisque, selon les estimations théoriques, la durée de vie de la matière serait de l’ordre de 1031 années ou plus. Pour avoir une chance de détecter quelques événements par an, il faut disposer d’une énorme source de détection placée à l’abri des rayons cosmiques. Les expériences américaines, japonaises ou européennes sont pratiquées dans des mines profondes désaffectées ou dans des salles situées au milieu de longs tunnels sous des montagnes. Tous les résultats sont négatifs, jusqu’à présent. Dans le même genre d’idées, certaines nouvelles théories prédisent qu’un neutron pourrait, mais avec une probabilité extrêmement faible, se transformer spontanément en antineutron. Des expériences sont effectuées avec les neutrons émis par le réacteur à haut flux de l’institut Laue-Langevin à Grenoble.
L’espoir est que, au milieu de milliers et de milliers de neutrons interagissant mollement avec la matière, on observe une gerbe d’annihilation due à un neutron devenu antineutron. Aucun signal de ce type n’a encore été observé. Si les résultats des expériences d’instabilité du proton ou d’oscillations neutron-antineutron persistaient à donner des résultats négatifs, il faudrait imaginer que la violation du nombre baryonique ne se produit pas « à froid », mais seulement aux densités d’énergie colossales sévissant au début de l’Univers.
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28/04/2019