Les scientifiques se délectent d'explorer des mystères, et plus le mystère est grand, plus l'enthousiasme est grand. Il y a beaucoup d'énormes questions sans réponse en science, mais quand vous allez grand, il est difficile de battre "Pourquoi y a-t-il quelque chose, au lieu de rien?"
Cela peut sembler une question philosophique, mais c'est une question qui se prête très bien à une enquête scientifique. Dit un peu plus concrètement: "Pourquoi l'univers est-il fait des types de matière qui rendent la vie humaine possible pour que nous puissions même poser cette question?" Les scientifiques menant des recherches au Japon ont annoncé le mois dernier une mesure qui répond directement à cette enquête des plus fascinantes. Il semble que leur mesure soit en désaccord avec les attentes les plus simples de la théorie actuelle et pourrait bien pointer vers une réponse à cette question intemporelle.
Leur mesure semble indiquer que pour un ensemble particulier de particules subatomiques, la matière et l'antimatière agissent différemment.
Matière c. Antimatière
À l'aide de l'accélérateur J-PARC, situé à Tokai, au Japon, les scientifiques ont tiré un faisceau de particules fantomatiques subatomiques appelées neutrinos et leurs homologues de l'antimatière (antineutrinos) à travers la Terre jusqu'à l'expérience Super Kamiokande, située à Kamioka, également au Japon. Cette expérience, appelée T2K (Tokai to Kamiokande), est conçue pour déterminer pourquoi notre univers est fait de matière. Un comportement particulier des neutrinos, appelé oscillation des neutrinos, pourrait éclairer ce problème très vexant.
Demander pourquoi l'univers est fait de matière peut sembler une question particulière, mais il y a une très bonne raison pour laquelle les scientifiques sont surpris par cela. C'est parce que, en plus de connaître l'existence de la matière, les scientifiques connaissent aussi l'antimatière.
En 1928, le physicien britannique Paul Dirac a proposé l'existence de l'antimatière - un frère antagoniste de la matière. Combinez des quantités égales de matière et d'antimatière et les deux s'annihilent, entraînant la libération d'une énorme quantité d'énergie. Et, comme les principes de la physique fonctionnent généralement aussi bien en sens inverse, si vous avez une quantité prodigieuse d'énergie, elle peut se convertir en quantités exactement égales de matière et d'antimatière. L'antimatière a été découverte en 1932 par l'américain Carl Anderson et les chercheurs ont eu près d'un siècle pour étudier ses propriétés.
Cependant, cette phrase "en quantités exactement égales" est au cœur de l'énigme. Dans les brefs moments immédiatement après le Big Bang, l'univers était plein d'énergie. En se dilatant et en se refroidissant, cette énergie aurait dû se transformer en parties égales de matière et de particules subatomiques d'antimatière, qui devraient être observables aujourd'hui. Et pourtant, notre univers est essentiellement entièrement constitué de matière. Comment est-ce possible?
En comptant le nombre d'atomes dans l'univers et en le comparant à la quantité d'énergie que nous voyons, les scientifiques ont déterminé que "exactement égal" n'était pas tout à fait correct. D'une manière ou d'une autre, quand l'univers avait environ un dixième de milliardième de seconde, les lois de la nature se sont légèrement inclinées dans le sens de la matière. Pour 3 000 000 000 de particules d'antimatière, il y avait 3 000 000 001 particules de matière. Les 3 milliards de particules de matière et 3 milliards de particules d'antimatière combinées - et annihilées en énergie, laissant le léger excès de matière pour constituer l'univers que nous voyons aujourd'hui.
Depuis que ce puzzle a été compris il y a près d'un siècle, les chercheurs ont étudié la matière et l'antimatière pour voir s'ils pouvaient trouver un comportement dans les particules subatomiques qui expliquerait l'excès de matière. Ils sont convaincus que la matière et l'antimatière sont fabriquées en quantités égales, mais ils ont également observé qu'une classe de particules subatomiques appelées quarks présente des comportements qui favorisent légèrement la matière par rapport à l'antimatière. Cette mesure particulière était subtile, impliquant une classe de particules appelées mésons K qui peuvent se convertir de la matière en antimatière et vice-versa. Mais il y a une légère différence dans la conversion de la matière en antimatière par rapport à l'inverse. Ce phénomène était inattendu et sa découverte a conduit au prix Nobel 1980, mais l'ampleur de l'effet n'a pas suffi à expliquer pourquoi la matière domine dans notre univers.
Poutres fantomatiques
Ainsi, les scientifiques ont tourné leur attention vers les neutrinos, pour voir si leur comportement pouvait expliquer l'excès de matière. Les neutrinos sont les fantômes du monde subatomique. Interagissant uniquement via la faible force nucléaire, ils peuvent traverser la matière sans interagir presque du tout. Pour donner une idée de l'échelle, les neutrinos sont le plus souvent créés dans les réactions nucléaires et le plus grand réacteur nucléaire autour est le Soleil. Pour se protéger de la moitié des neutrinos solaires, il faudrait une masse de plomb solide d'environ 5 années-lumière de profondeur. Les neutrinos n'interagissent vraiment pas beaucoup.
Entre 1998 et 2001, une série d'expériences - l'une utilisant le détecteur Super Kamiokande et l'autre utilisant le détecteur SNO à Sudbury, en Ontario - ont prouvé définitivement que les neutrinos présentent également un autre comportement surprenant. Ils changent d'identité.
Les physiciens connaissent trois types distincts de neutrinos, chacun associé à un frère subatomique unique, appelé électrons, muons et taus. Les électrons sont à l'origine de l'électricité et les particules de muon et de tau sont très similaires aux électrons, mais plus lourdes et instables.
Les trois types de neutrinos, appelés neutrinos électroniques, neutrinos muons et neutrinos tau, peuvent se "transformer" en d'autres types de neutrinos et inversement. Ce comportement est appelé oscillation des neutrinos.
L'oscillation des neutrinos est un phénomène uniquement quantique, mais il est à peu près analogue à un bol de crème glacée à la vanille et, après être allé chercher une cuillère, vous revenez pour constater que le bol est à moitié vanille et à moitié chocolat. Les neutrinos changent leur identité d'un seul type, à un mélange de types, à un type entièrement différent, puis reviennent au type d'origine.
Oscillations anti-neutrinos
Les neutrinos sont des particules de matière, mais des neutrinos d'antimatière, appelés antineutrinos, existent également. Et cela mène à une question très importante. Les neutrinos oscillent, mais les antineutrinos oscillent-ils également et oscillent-ils exactement de la même manière que les neutrinos? La réponse à la première question est oui, tandis que la réponse à la seconde n'est pas connue.
Examinons cela un peu plus en détail, mais de manière simplifiée: supposons qu'il n'y avait que deux types de neutrinos - le muon et l'électron. Supposons en outre que vous disposiez d'un faisceau de neutrinos de type purement muonique. Les neutrinos oscillent à une vitesse spécifique et, comme ils se rapprochent de la vitesse de la lumière, ils oscillent en fonction de la distance d'où ils ont été créés. Ainsi, un faisceau de neutrinos à muons purs ressemblera à un mélange de types de muons et d'électrons à une certaine distance, puis de types d'électrons pur à une autre distance, puis à nouveau uniquement aux muons. Les neutrinos antimatière font la même chose.
Cependant, si la matière et les neutrinos d'antimatière oscillent à des taux légèrement différents, vous vous attendriez à ce que si vous étiez à une distance fixe du point où un faisceau de neutrinos de muons purs ou d'antineutrinos de muons a été créé, alors dans le cas des neutrinos, vous verriez un mélange de muons et de neutrinos électroniques, mais dans le cas des neutrinos à antimatière, vous verriez un mélange différent de muons à antimatière et de neutrinos électroniques. La situation actuelle est compliquée par le fait qu'il existe trois types de neutrinos et que l'oscillation dépend de l'énergie du faisceau, mais ce sont les grandes idées.
L'observation de différentes fréquences d'oscillation par les neutrinos et les antineutrinos serait une étape importante vers la compréhension du fait que l'univers est fait de matière. Ce n'est pas toute l'histoire, car de nouveaux phénomènes supplémentaires doivent également tenir, mais la différence entre la matière et les neutrinos d'antimatière est nécessaire pour expliquer pourquoi il y a plus de matière dans l'univers.
Dans la théorie dominante actuelle décrivant les interactions des neutrinos, il existe une variable sensible à la possibilité que les neutrinos et les antineutrinos oscillent différemment. Si cette variable est nulle, les deux types de particules oscillent à des taux identiques; si cette variable diffère de zéro, les deux types de particules oscillent différemment.
Lorsque T2K a mesuré cette variable, ils ont constaté qu'elle n'était pas cohérente avec l'hypothèse que les neutrinos et les antineutrinos oscillent de manière identique. Un peu plus techniquement, ils ont déterminé une plage de valeurs possibles pour cette variable. Il y a 95% de chances que la vraie valeur de cette variable soit dans cette plage et seulement 5% de chances que la vraie variable soit en dehors de cette plage. L'hypothèse «pas de différence» est en dehors de la plage de 95%.
En termes plus simples, la mesure actuelle suggère que les neutrinos et les neutrinos d'antimatière oscillent différemment, bien que la certitude n'atteigne pas le niveau pour faire une affirmation définitive. En fait, les critiques soulignent que les mesures avec ce niveau de signification statistique doivent être considérées très, très sceptiquement. Mais c'est certainement un résultat initial extrêmement provocateur, et la communauté scientifique mondiale est extrêmement intéressée à voir des études améliorées et plus précises.
L'expérience T2K continuera d'enregistrer des données supplémentaires dans l'espoir de faire une mesure définitive, mais ce n'est pas le seul jeu en ville. Au Fermilab, situé à l'extérieur de Chicago, une expérience similaire appelée NOVA tire à la fois des neutrinos et des neutrinos d'antimatière dans le nord du Minnesota, dans l'espoir de battre T2K au poing. Et, regardant plus vers l'avenir, le Fermilab travaille dur sur ce qui sera son expérience phare, appelée DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), qui aura des capacités bien supérieures pour étudier cet important phénomène.
Bien que le résultat T2K ne soit pas définitif et que la prudence soit de mise, il est certainement alléchant. Étant donné l'énormité de la question de savoir pourquoi notre univers ne semble pas avoir d'antimatière appréciable, la communauté scientifique mondiale attendra avidement de nouvelles mises à jour.
