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La physique quantique

Le détecteur UA2 proton-antiproton de l'Université de Mainz.

L'asymétrie CP ou le privilège de la matière

En 1954, les physiciens G.Lüders, W.Pauli et J.Schwinger ont démontré que si les mathématiques étaient une science exacte, toute théorie qui obéissait à la mécanique quantique et à la relativité devait également obéir à la "loi du bon sens". Formellement appelée la "symétrie CPT", ce théorème assure une symétrie globale des lois de la Nature, combinant la charge, la parité et le temps[1].

Ainsi que nous l'avons expliqué en étudiant les théories de symétrie, les graphes de Feynman sont bien adaptés à ce genre de transitions et permettent d'exprimer par un graphique les interactions entre particules (graphes que l'on retrouve également dans la statique des fils).

Les évènements devraient se dérouler de la même façon si l'on remplaçait les particules par des antiparticules (symétrie C, la conjugaison de charge), si l'on prenait leur image dans un miroir (symétrie P ou hélicité, également appelée chiralité) et si l'on inversait la flèche du temps (symétrie T). La symétrie dite CPT devait être respectée.

De façon générale la symétrie T est conservée mais non verrons qu'il existe une exception. Généralement, l'image dans un miroir d'une antiparticule remontant le temps est bien similaire à l'image de la même particule qui évolue dans le sens direct. Mais en réalité, nous savons que l'univers n'obéit pas à la symétrie T, car comme le temps s'écoule, il s'étend. Inversement, il se contracterait, modifiant sa structure physique et chimique. Ceci est une explication "thermodynamique" mais elle prouve déjà la non conservation de certaines propriétés de symétrie de l'univers.

L'asymétrie de parité et de temps peuvent déjà être isolées dans le cas de la propagation du neutrino ou de son antiparticule. Quand on parvient à le détecter, on découvre que le neutrino présente une hélicité à gauche. Il se propage uniquement dans le sens de son spin, spiralant vers la gauche, comme s'il ne participait pas à la symétrie universelle. Si l'on sait qu'une symétrie interdit certaines opérations, on peut se demander quel rôle essentiel joue le neutrino dans l'élaboration du cosmos... Si la Nature ne fait rien en vain, cette hélicité particulière limite quelque part les versions des théories aux seules conditions qu'elles prescrivent.

Paradoxalement la GUT précise que le neutrino appartient à la même famille que l'électron : tous deux sont des leptons. Ils sont les deux aspects d'une même interaction, la force électrofaible. Quelle influence peut donc avoir cette asymétrie ? Une fois de plus, la réponse n'est pas dans les livres[2].

La désintégration du kaon

La deuxième asymétrie concerne l'abondance de la matière au détriment de l'antimatière, question qui fut soulevée en 1956 par Chen Ning Yang - celui de la théorie électrofaible -. Avec son collègue Tsung Dao Lee, ils démontrèrent que la symétrie P ne s'appliquait pas dans tous les cas, en particulier dans les processus liant les interactions faibles : ils n'étaient pas à l'image de leur reflet dans un miroir.

L'année suivante Lev Landau et Lev Okun de l'Université de Moscou démontrèrent que seule le produit de la symétrie CP était respecté. Mais il faudra attendre 1964 pour que les physiciens prennent cette possibilité au sérieux et découvrent expérimentalement la violation de la symétrie CP.

Non conservation de P

Désintégration du muon

Toutes les expériences confirment que la désintégration du muon produit mille fois plus d'électrons gauchers que d'électrons droitiers.

Violation de CP

Désintégration du kaon

Le kaon se désintègre de préférence en positron (à gauche) plutôt qu'en électron (son reflet opposé à droite).

La violation de CP apparut lors de l'interaction du méson K°, le kaon à longue vie qui préfère se désintégrer en positrons plutôt qu'en électron. La confirmation de cette découverte leur valu le prix Nobel en 1957. Sept ans plus tard, les physiciens J.Christenson, James Cronin, Val Fitch et R. Turley de l'Université de Princeton démontrèrent que la désintégration du kaon violait également la symétrie de charge sans pour autant que la parité ne rétablisse l'équilibre de la combinaison CPT.

Leurs expériences démontrent que si les lois physiques ne sont pas affectées par une transformation complète de la combinaison CPT, c'est parce que la particule K° est sa propre antiparticule. Mais elle ne se désintègre pas de façon symétrique. Elle a tendance à favoriser la production d'un pion négatif, d'un positron et d'un neutrino en délaissant sa désintégration en pion positif, électron et antineutrino. Si elle produit plus de positrons et de neutrinos que d'électrons et d'antineutrinos (les pions sont des bosons qui n'entrent pas dans le bilan) l'univers devrait se remplir d'antimatière, au détriment de la matière.

C'est alors qu'Andreï Sakharov - l'inventeur de la bombe à hydrogène soviétique mais que l'on connaît surtout pour son action politique - émit une proposition géniale en 1967 à propos de la violation des symétries pour expliquer l'excès de baryons, théorie qui sera connue sous le nom des "Conditions de Sakharov"[3] et que nous reverrons en cosmologie à propos du Big Bang et de la baryogénèse.

Jugée tout d'abord trop spéculative, son idée devra attendre la confirmation de Motohiko Yoshimura en 1978 pour être prise au sérieux.

Vue générale des installations du LEARN du CERN qui permet de synthétiser des antiprotons.

Pour expliquer la violation du nombre baryonique, Sakharov rappela que durant l'ère de la Grande unification, l'Univers contenait un taux d'énergie très élevé où les antiquarks pouvaient se transformer en électrons et les quarks en positrons. L'asymétrie entre matière et antimatière s'annulait probablement lorsque les différentes interactions, à l'exception de la gravité, s'unissaient vers 1015 GeV (1027 K). A ce niveau d'énergie quarks et électrons étaient semblables.

Puisqu'il existe des forces qui n'obéissent visiblement pas à la symétrie du temps (et qui privilégièrent la matière), cela eut pour conséquence de produire plus de positrons devenant quarks que d'électrons devenant antiquarks. Le temps faisant son office, 10-35 sec après le Big Bang les quarks prédominèrent et la matière pris le pas sur l'antimatière. Après l'annihilation, il resta environ 1 quark sur 1 milliard. Cette explication fut confirmée par les théories de Grande unification proposées par Abdus Salam, Sheldom Glashow et leurs collègues. Elle vaudra le prix Nobel de physique à Cronin et Fitch en 1980.

Mis à part des questions de "détails" concernant l'époque exacte en terme de niveau d'énergie (et de température) à à laquelle s'est produite cette dominance de la matière sur l'antimatière, cette idée est aujourd'hui acceptée par tous les physiciens supportant le modèle du Big Bang, c'est-à-dire pratiquement tous.

Les 1015 GeV nécessaires à l'unification des interactions forte et électrofaible permet d'estimer la durée de vie de la matière à 1031 ans mais les expériences mises en oeuvres depuis les années 1980 n'ont toujours pas observé cette désintégration.

Ceci dit, le CERN a déjà pu créer des noyaux d'antideutérium, d'antihélium et bien sûr des antiprotons mais aucun atome n'a été observé. Personne n'a jamais vu les raies spectrales d'un antiatome ni mesuré la quantité d'antimatière dans les rayons cosmiques. Aujourd'hui de telles expériences sont à notre portée: le projet LEARN, Low Energy Antiproton Ring du CERN permet de synthétiser des antinoyaux d'hydrogène (antiprotons) et Artemis permet d'étudier les rayons cosmiques, en espérant que ces défis nous surprendront[4].

L'expérience des kaons est l'une des rares qui permette de différencier la matière de l'antimatière. Si nous découvrons des antiparticules, en particulier un excès d'électrons lors d'une désintégration de K°, nous pourrons être sûr d'être en présence d'antimatière ! Or jusqu'à présent, et aussi loin que nos moyens nous le permettent, une telle observation n'a jamais été faite.

Mis à part quelques antiparticules détectées dans les rayons cosmiques ou dans les interactions entre la matière et son environnement dans l'espace, toutes les expériences confirment que le monde visible est constitué de matière et ceci depuis l'époque du découplage de la matière du rayonnement, 380000 ans après le Big Bang lorsque la température était de l'ordre de 3000 K. En effet, a moment de la recombinaison, l'excès de matière sur l'antimatière était de l'ordre de 10 milliards de photons pour 1 proton. L'antimatière était déjà presque totalement annihilée.

Il existe donc une distinction entre matière et antimatière. Pourquoi, nul ne le sait. Les théories de symétrie définies dans la GUT restent des conceptualisations qui doivent encore être confirmées par l'observation. Le modèle Kaluza-Klein remis au goût du jour plaît à une majorité de physiciens. Mais vu leur grande énergie, les supercordes resteront longtemps encore inaccessibles.

L'asymétrie des neutrinos

L'asymétrie matière-antimatière touche également d'autres particules que le kaon. En 2016, l'étude des neutrinos grâce aux expériences Super-Kamiokande (T2K) au Japon et NOvA au Fermilab, a également permis aux physiciens de découvrir une nouvelle asymétrie, celle entre les oscillations des neutrinos et des anti-neutrinos. En effet, les premiers oscillent entre leurs différents états plus rapidement que les seconds. Bien que la preuve définitive exige des détecteurs plus sensibles, il s'avère qu'il existe également une différence entre matière et antimatière dans les neutrinos et nul ne sait pourquoi. On y reviendra à propos des neutrinos solaires.

La symétrie des noyaux et la flèche du temps

Complémentaire des symétries de parité et de conjugaison de charge, il existe également une symétrie dans la forme des noyaux atomiques. Leur forme dépend de la disposition particulière de la charge des protons par rapport aux neutrons. Jusque récemment il n'existait que trois formes de noyaux : la sphère, le disque (ou oblate) et l'ovale (ou ballon de rugby). Ces trois formes sont symétriques.

Ainsi, comme on le voit ci-dessous, en ajoutant un proton aux isotopes du silicium par exemple, au lieu de rester sphérique comme le 36Si, il prend une forme ovale (40Si) puis celle d'un disque (42Si). Notons qu'il existe également des "superdéformations" donnant par exemple des noyaux en forme de banane ou de chapeau arrondi ainsi que des formes isométriques ressemblant à des cacahuètes.

A gauche, transformation graduelle de la forme des isotopes du silicium quand on leur ajoute un proton. Les trois formes conservent leur symétrie. A droite, l'étude de la quatrième forme de noyau, la piriforme dans le radon-220 et le radium-224. Cette forme n'est plus symétrique par rotation et pointe dans une certaine direction de l'espace-temps. Pour Marcus Scheck de l'Université de West of Scotland, cela aurait aurait des conséquences sur la "flèche du temps". Documents P.Riken et L.P.Gaffnet et al./CERN, 2013.

Comme nous l'avons évoqué, jusqu'à présent les astrophysiciens ont cru que la "violation CP" avait produit plus de matière que d'antimatière. Mais il est apparu que les violations connues ne suffisent pas pour produire toute la matière que nous observons. En fait, le physicien Brian Bucher du laboratoire LLNL et son équipe ont découvert en 2013 au CERN l'existence d'une quatrième forme de noyau : la poire ou piriforme dans l'isotope du radium-244 qui est également présente dans l'isotope du radon-220, du baryum-144 et d'autres éléments de masse élevée riches en neutrons. Cette piriforme correspond à une déformation  en octupôle dont la version symétrique avait déjà été observée en 2012.

Selon Marcus Scheck de l'Université de West of Scotland qui dirige l'expérience ISOLDE (On-Line Isotope Mass Separator) au CERN, ce noyau piriforme asymétrique pointe dans une direction particulière de l'espace qui est aussi une direction dans le temps, prouvant qu'il existe bien une "flèche du temps". Pour Scheck, cette découverte signifie aussi que voyager dans le temps est impossible. Ceci dit, son hypothèse est purement spéculative mais elle soulève d'intéressantes possibilités qu'il vaut la peine d'explorer.

Mais tous les physiciens ne partagent pas le pessimisme de Scheck, en particulier Brian Greene pour qui le voyage temporel est possible de même que pour Michio Kaku, auteur de "Hyperspace" et "Parallel Worlds" notamment. Mais restons néanmoins prudent avant d'avancer de telles propositions. La question étant débattue depuis quelques siècles, étant donné qu'aucune expérience macroscopique ne peut trancher la question, on peut supposer que les défenseurs du "pour" et du "contre" le voyage temporel s'opposeront encore longtemps.

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[1] Martin Gardner, "L'Univers Ambidextre", Dunod, 1967; Seuil, 1985/1994/2000 

[2] Lire Martin Gardner, "L'Univers Ambidextre", op.cit.

[3] A.Sakharov, "Violation of CP invariance, C asymmetry, and baryon asymmetry of the universe", JETP Letters, 5, 1967, pp24-27.

[4] A.Watson, Science, 271, 1996, p147 - A.Marshaal. La Recherche, 286,1996. p34; La Recherche, 289, 1996, p718.


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