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Les Mésons : Hôtes de réponses sur l'évolution de l'Univers

Actualité

Thème : Physique des Particules, Cosmologie

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Au tout début de l'Histoire de l'Univers, le Big Bang fournit autant de matière que d'antimatière : une particule créée pour une antiparticule. Cependant, les observations ne concordent pas avec cette hypothèse initiale fournie par les chercheur.e.s. En effet, seule une infime partie d'antimatière reste présente à l'heure actuelle.
Les recherches ont-elles abouti à une mauvaise hypothèse de base ? Ou une autre explication peut-elle être fournie ?
Le CERN a apporté un élément de réponse à ces questions grâce à leur puissant LHC !

Les antiparticules, où, quand, combien ?

L'Univers dans lequel nous évoluons, celui que l'on peut observer, est composé de matière que l'on appelle "baryonique". Cette dernière regroupe les étoiles, les planètes, les galaxies, donc de manière plus générale, tout ce que l'on peut voir.
Depuis la validation du modèle du Big Bang, il est théorisé qu'il y a aux origines de l'Univers autant de matière que d'antimatière. Cette curieuse composante de l'Univers est constituée des antiparticules, qui sont les complémentaires de chacune des particules existantes. Elles y sont identiques, à l'exception de leur charge électrique. Si la première est positive alors la seconde sera négative, et inversement.

Prenons par exemple le cas de l'électron. Ce petit élément tournant autour du noyau des atomes. Il est de charge électrique négative alors que son antiparticule, appelée "positron" est de charge positive.
Il se peut également qu'un élément soit de charge nulle, il sera alors sa propre antiparticule. C'est le cas du photon : la particule de lumière.

Trace laissée par le premier positron observé en 1932

@Wikipédia, Trace d'un positron

La matière baryonique représente environ 5% de tout ce qui constitue l'Univers. Le reste est scindé entre matière noire et énergie noire.

Le modèle standard de la cosmologie, modèle d'étude de l'Univers dans son ensemble, prévoit au moment du Big Bang une répartition équitable de la matière et de l'antimatière. Cependant, ce que l'on observe aujourd'hui ne correspond pas à cette équirépartition. En effet, l'antimatière n'est qu'une infime proportion des constituants du cosmos autour de nous.

Pourquoi y-a t'il plus de particules que d'antiparticules ? Comment justifier cette disparition ?

Le 21 Mars 2019, le CERN, grâce aux expériences menées avec leur accélérateur de particules, a permis au monde de l'astrophysique de fournir des réponses supplémentaires à ces questions.

LHC, le plus gros accélérateur de particules au monde

Le LHC, "Long Hadron Collider" ou encore "Grand Collisionneur de Hadron1", est un accélérateur de particules situé entre la France et la Suisse.

Mis en fonctions en 2008, il a pour but de mettre en exergue le principe de violation de la symétrie dite CP. Cette violation de symétrie Conjugaison de Charge - Parité s'observe au travers d'un taux de désintégration non identique entre une particule et son antiparticule.

@CERN, LHC

Jusqu'à maintenant, le LHC avait déjà détecté des déséquilibres dans la désintégration matière-antimatière, cependant ces violations n'étaient pas suffisamment importantes pour apporter une réponse à la question de la disparition de l'antimatière dans l'Univers.

Une des grandes difficultés rencontrées dans ces expériences vient du fait qu'il est contre-productif de mettre en contact une particule et son antiparticule. En effet, en cas de rencontre, les deux éléments se détruisent mutuellement et systématiquement, fournissant une décharge en énergie.
Il est ainsi extrêmement complexe de stocker de l'antimatière. Car oui, si on veut la mettre dans un bocal par exemple... Un bocal, c'est de la matière. Donc si les antiparticules contenues touchent un bord, elles s'annihilent automatiquement, en touchant le bocal, détruisant le récipient avec elles.

Les chercheur.e.s ont donc mis en œuvre un système de stockage afin de conserver et utiliser ces antiéléments.
L'idée est de créer des capsules de vide avec des électro-aimants (voir images en bas de page), matériel créant un champ magnétique alimenté par électricité. L'antiparticule se stabilise dans ce vide, ne touchant par définition du vide, aucune matière.

C'est grâce à ces innovations et ce travail que le 21 Mars dernier, le LHC a permis l'observation d'une violation de la symétrie CP avec un Méson D0 et l'antiMéson D0.

Les Méson et les quarks "charm"

Un Méson est une particule subatomique, c'est à dire, de taille inférieure à celle d'un atome.
Il est constitué d'un quark et d'un antiquark, liés l'un à l'autre par de très fortes interactions.

Le Méson D0 est celui qui a été étudié par le LHC. Il est constitué d'un quark "charm" et d'un quark "up" ou "down". Ce qui différencie chaque quark les uns des autres sont leur charge électrique.


Ce qu'il est important de retenir en réalité ici, c'est que cette violation de symétrie avait déjà été observée auparavant, mais uniquement sur des quarks "strange" et "bottom". Pour la première fois, l'expérience a été validée sur un "charm". De plus la validation a été opérée à 99.999% en terme de "quantité d'asymétrie" dans la désintégration du Méson D0 et de son antiMéson D0.
L'expérience fournit donc une avancée majeure dans le monde de la physique des particules.

Les apports de cette découverte

"Il y a eu beaucoup de tentatives dans la mesure de l'antisymétrie entre matière et antimatière, mais jusqu'à maintenant, personne n'a réussi. Cette découverte est un tournant dans la recherche de l'antimatière". dit Sheldon Stone, de l'Université de Syracuse, qui a collaboré sur l'expérience du LHC au laboratoire du CERN.

Cette découverte pourrait être à l'origine par exemple d'une nouvelle description des interactions entre les particules et ainsi fournir une nouvelle physique à la base du modèle standard des particules.

"Ce qui rend cette étude unique est le fait que c'est la première fois que l'on est témoin d'une asymétrie avec des quarks "charm" : c'est à marquer dans l'Histoire des sciences." conclut Stone.

La physique de haute énergie est majoritairement reconnue pour ses recherches liées aux quarks, et les recherches ici ont mené à une belle victoire, en terme de compréhension du Big Bang et de l'évolution de la matière constituant notre Univers.

Nathalie Bauchet

A gauche, électroaimant de Sturgeon, 1824.
En haut à droite, électroaimants dans une sonette.
En bas à droite, électroaimant constitué de fer au centre, entouré d'un fil électrique.

@Wikipédia, Différents électroaimants

1. Hadron : particule constituée de quark, d'antiquark et de gluon, permettant la liaison entre les deux premiers.

Informations pratiques

Lien vers le site du CERN.

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