Pourquoi l’Univers est-il surtout constitué de matière ? Cette découverte s’approche de la réponse

Il y a quelque chose de bizarre avec les neutrinos, d’après les révélations d’une avancée majeure publiée dans Nature le 16 avril 2020. Cette bizarrerie pourrait aider les physiciens à résoudre parmi les plus grands mystères scientifiques : pourquoi l’Univers est… ce qu’il est. Et, plus précisément, pourquoi il se caractérise par une majorité de matière — et donc pourquoi nous existons.

Si l’Univers contient quelque chose plutôt que rien, c’est grâce à un déséquilibre originel. Au commencement, il y a 13,8 milliards d’années, le Big Bang aurait dû produire autant d’antimatière que de matière. Comme par effet miroir, les antiparticules sont les jumelles opposées des particules. Elles fonctionnent par homologie : pour chaque type de particule, il y a une antiparticule. Les antiparticules ont les mêmes caractéristiques que les particules associées, mais aussi d’autres propriétés parfaitement opposées, comme la charge électrique.

En résumé, particules et antiparticules sont symétriques sous forme d’opposées. À partir de ce postulat, il devrait y avoir autant de matière que d’antimatière. Ce n’est pas le cas… et fort heureusement pour nous, car sinon, particules et antiparticules se seraient annulées, et annihilées mutuellement. L’Univers serait bien différent.

Sans le déséquilibre originel entre matière et antimatière, l'Univers serait bien différent. Et on ne serait pas là pour l'observer.

Source : Pixabay

Dans ce Modèle standard interviennent maintenant les neutrinos. Elles font partie des particules élémentaires, créées lors du Big Bang. Nous baignons littéralement dans les neutrinos, qui nous traversent par milliards, à chaque seconde et à des milliers de kilomètres à la seconde.

Pourtant, les neutrinos se font discrètes, elles interagissent peu avec la matière ordinaire, sont légères, et n’ont pas de charge électrique. Par ailleurs, les neutrinos ont encore une autre particularité. Elles oscillent entre ce que les physiciens appellent des « saveurs » (neutrino électronique, neutrino muonique, neutrino tauique). Mais même si elles sont un peu rebelles, ces particules n’échappent pas à une règle d’or : elles ont aussi leur jumelle d’antimatière, que sont les antineutrinos. Si les neutrinos n’ont pas de charge électrique, les antineutrinos, elles, en ont une.

L’expérience T2K, coordonnée par une équipe internationale de 500 physiciens, vient de mettre au jour le rôle très probablement déterminant que ce couple neutrino/antineutrinos a joué au commencement. Ce sont ces particules qui auraient donné un avantage crucial à la matière.

Neutrinos et antineutrinos seraient asymétriques

L’expérimentation démarre à l’accélérateur de protons de Tokai (J-PARC), sur la côte Est du Japon. Au sein de ce complexe de recherche, des neutrinos sont propulsées sous terre à l’autre bout du pays, sur la côte Ouest, jusqu’à être captées par Super-Kamiokande, un observatoire dédié aux neutrinos. Il s’agit d’une immense cuve d’eau, dont les parois sont parsemées de milliers de détecteurs dont le rôle est de détecter les interactions entre les neutrinos et l’eau. Mais rappelez-vous ce qu’on écrivait plus haut : les neutrinos sont discrètes, des particules fantômes. Elles interagissent difficilement avec la matière. Il aura donc fallu une décennie pour que l’expérience T2K finisse par permettre de relever 90 neutrinos et 15 antineutrinos — et sur les 1 020 collisions qui ont probablement eu lieu.

Pour aller plus loin

Cette expérience a détecté des particules fantômes qui ne devraient pas exister

Voici à quoi ressemble l'observatoire, ce gigantesque bassin d'eau muni de milliers de détecteurs.

Source : Kamioka Observatory, Institute for Cosmic Ray Research

En observant ainsi les neutrinos, les scientifiques ont procédé à une mesure statistique : quelle est la probabilité que les particules passent d’une saveur à une autre (oscillation) pendant le voyage de J-PARC au Super-Kamiokande ? Ils ont d’abord mesuré l’oscillation des neutrinos muoniques vers neutrinos électroniques, puis ils ont répété la mesure avec l’oscillation d’antineutrinos muoniques vers des antineutrinos électroniques. Rappelez-vous : matière et antimatière sont censées être symétriques. Les chiffres devraient être les mêmes.

Les neutrinos et antineutrinos ne se comportent pas pareil : sont-ils à l’origine du déséquilibre originel ?

Ce ne fut pas le cas. Les statistiques de l’oscillation diffèrent entre les neutrinos et les antineutrinos. La probabilité d’une oscillation d’une saveur à une autre est plus élevée chez les neutrinos que chez les antineutrinos. Dans un commentaire de leur recherche, ils écrivent : « Ces résultats pourraient être la première indication de l’origine entre l’asymétrie matière-antimatière dans notre Univers. »

Cela signifierait que, lors du Big Bang, il y aurait finalement bel et bien eu un parfait équilibre entre matière et antimatière. Mais rapidement, le couple neutrinos/antineutrinos aurait commencé à produire une différence de quantité, à la faveur des neutrinos. Ce type spécifique de particules étant le plus abondant de l’Univers, cette petite différence aura eu l’impact que nous connaissons : l’asymétrie globale à la faveur de la matière.

Le « degré de confiance » envers les observations et les conclusions à en tirer est de 95 %, précisent les chercheurs. C’est beaucoup. Mais ce n’est pas encore assez pour l’inscrire parmi les règles du Modèle standard de l’Univers. « La mesure est indéniablement excitante. Mais des déclarations extraordinaires ont besoin de preuves extraordinaires — un niveau de confiance de 99,9999 % va être nécessaire. » Et justement, des expériences similaires sont en cours de développement à travers le monde. Après la première étape déterminante que constituent cette découverte publiée dans Nature, ces observations vont pouvoir confirmer ou infirmer ce résultat, en offrant une véritable piste de recherche.. Les chercheurs écrivent que la réponse définitive pourra être obtenue d’ici 15 ans.