Pourquoi notre univers tourbillonne de plus de matière que son étrange antimatière - et pourquoi nous existons du tout - est l'une des énigmes les plus déroutantes de la physique moderne.
D'une manière ou d'une autre, quand l'univers était incroyablement jeune, presque toute l'antimatière a disparu, ne laissant que les choses normales. Les théoriciens ont depuis longtemps traqué l'explication toujours insaisissable - et plus important encore, un moyen de tester cette explication avec des expériences.
Maintenant, un trio de théoriciens a proposé qu'un trio de particules appelées bosons de Higgs pourrait être responsable du mystérieux acte de disparition de l'antimatière dans l'univers. Et ils pensent qu'ils savent comment trouver les coupables présumés.
Le cas de l'antimatière manquante
Dans presque toutes les interactions entre les particules subatomiques, l'antimatière (qui est identique à la matière normale mais avec une charge opposée) et la matière normale sont produites dans une mesure égale. Il semble que ce soit une symétrie fondamentale de l'univers. Et pourtant, quand nous sortons et regardons ce même univers, nous ne voyons pratiquement pas d'antimatière. Pour autant que les physiciens puissent le dire, pour chaque particule d'antimatière qui traîne encore, il y a environ un milliard de particules de matière normale, partout dans le cosmos.
Ce mystère porte de nombreux noms, comme le problème d'asymétrie de la matière et le problème d'asymétrie du baryon; quel que soit le nom, il a des physiciens perplexes. À l'heure actuelle, personne n'a été en mesure de fournir une explication cohérente et cohérente de la domination de la matière sur l'antimatière, et comme c'est le travail des physiciens d'expliquer comment fonctionne la nature, cela commence à devenir irritant.
Cependant, la nature a laissé des indices qui nous empêchaient de réfléchir. Par exemple, aucune preuve de beaucoup d'antimatière n'apparaît dans le soi-disant fond de micro-ondes cosmique - la chaleur laissée par le Big Bang, la naissance de l'univers. Cela suggère que la câpre s'est produite dans l'univers très précoce. Et le premier univers était un endroit assez fou, avec toutes sortes de physiques compliquées et mal comprises. Donc, si la matière et l'antimatière se séparent, c'est le bon moment pour le faire.
Blâmer les Higgs
En fait, le meilleur moment pour que l'antimatière disparaisse est pendant la brève mais tumultueuse époque de notre univers où les forces de la nature se séparaient alors que le cosmos se refroidissait.
Aux énergies élevées (comme celles qui se trouvent à l'intérieur d'un collisionneur de particules), la force électromagnétique et la force nucléaire faible combinent leurs pouvoirs pour former une nouvelle force: l'électro-faiblesse. Cependant, une fois que les choses se sont refroidies et retournent aux énergies normales de tous les jours, l'électro-faiblesse se divise en deux forces familières.
À des énergies encore plus élevées, comme celles trouvées dans les premiers moments du Big Bang, nous pensons que la force nucléaire forte fusionne avec l'électro-faiblesse, et à des énergies encore plus élevées, la gravité rejoint le parti en une seule force unifiée. Mais nous n'avons pas encore tout à fait compris comment la gravité entre dans le jeu.
Le boson de Higgs, proposé pour exister dans les années 1960 mais qui n'a été découvert qu'en 2012 à l'intérieur du Grand collisionneur de hadrons, fait le travail de séparer la force électromagnétique de la faible force nucléaire. Les physiciens sont à peu près certains que la scission matière-antimatière s'est produite avant que les quatre forces de la nature ne se mettent en place comme leurs propres entités; c'est parce que nous avons une compréhension assez claire de la physique de l'univers après la séparation, et ajouter trop d'antimatière dans les époques ultérieures viole les observations du fond cosmique des micro-ondes).
En tant que tel, le boson de Higgs joue peut-être un rôle.
Mais les Higgs en eux-mêmes ne peuvent pas le couper; il n'y a pas de mécanisme connu utilisant uniquement les Higgs pour provoquer un déséquilibre entre la matière et l'antimatière.
Heureusement, l'histoire des Higgs n'est peut-être pas terminée. Les physiciens ont trouvé un seul boson de Higgs dans des expériences de collisionneur, avec une masse d'environ 125 milliards d'électrons volts, ou GeV - pour référence, un proton pèse environ 1 GeV.
Il s'avère que les Higgs ne sont peut-être pas seuls.
Il est tout à fait possible qu'il y ait plus de bosons de Higgs flottant autour qui soient plus massifs que ce que nous pouvons actuellement détecter dans nos expériences. De nos jours, ces Higgs plus lourds, s'ils existent, ne feraient pas grand-chose, ne participant pas vraiment à la physique à laquelle nous pouvons accéder avec nos collisionneurs - Nous n'avons tout simplement pas assez d'énergie pour les "activer". Mais aux premiers jours de l'univers, lorsque les énergies étaient beaucoup, beaucoup plus élevées, les autres Higgs auraient pu être activés, et ces Higgs pourraient avoir causé un déséquilibre dans certaines interactions fondamentales des particules, conduisant à l'asymétrie moderne entre la matière et l'antimatière.
Résoudre le mystère
Dans un article récent publié en ligne dans la revue préimprimée arXiv, trois physiciens ont proposé une solution potentielle intéressante: Peut-être que trois bosons de Higgs (surnommés la "Troïka de Higgs") ont joué à un jeu de patate chaude dans le premier univers, générant un flot de matière normale . Quand la matière touche l'antimatière - Poof - les deux s'anéantissent et disparaissent.
Et donc la plus grande partie de ce flux de matière anéantirait l'antimatière, la submergeant presque entièrement de son existence dans un flot de radiations. Dans ce scénario, il resterait suffisamment de matière normale pour conduire à l'univers actuel que nous connaissons et aimons.
Pour faire ce travail, les théoriciens proposent que le trio comprenne la particule de Higgs connue et deux débutants, chacun de ce duo ayant une masse d'environ 1000 GeV. Ce nombre est purement arbitraire, mais a été spécifiquement choisi pour rendre cette hypothétique Higgs potentiellement découvrable avec la prochaine génération de collisionneurs de particules. Il est inutile de prédire l'existence d'une particule qui ne peut jamais être détectée.
Les physiciens ont alors un défi. Quel que soit le mécanisme qui cause l'asymétrie, la matière doit avoir un avantage sur l'antimatière d'un facteur d'un milliard à un. Et, il a une très courte fenêtre de temps dans le premier univers pour faire sa chose; une fois les forces divisées, le jeu est terminé et la physique telle que nous la connaissons est verrouillée. Et ce mécanisme, y compris les deux nouveaux Higgs, doit être testable.
La réponse courte: ils ont pu le faire. C'est naturellement un processus très compliqué, mais l'histoire globale (et théorique) se déroule comme suit: Les deux nouveaux Higgs se désintègrent en averses de particules à des taux légèrement différents et avec des préférences légèrement différentes pour la matière par rapport à l'antimatière. Ces différences s'accumulent avec le temps, et lorsque la force électrofaibles se divise, il y a suffisamment de différence dans les populations de particules de matière-antimatière "intégrées" à l'univers pour que la matière normale finisse par dominer sur l'antimatière.
Bien sûr, cela résout le problème d'asymétrie des baryons mais conduit immédiatement à la question de ce que la nature fait avec autant de bosons de Higgs. Mais nous allons faire les choses une étape à la fois.
