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Une nouvelle étude suggère d’utiliser l’Univers lui-même comme laboratoire pour résoudre l’une des plus grandes énigmes du cosmos et de l’existence : la mystérieuse prédominance de la matière.

Le paradoxe matière-antimatière

C’est l’un des plus anciens et tenaces mystères de l’Univers : Puisque la matière et l’antimatière s’annihilent lorsqu’elles entrent en contact, et que les deux formes de matière existaient au moment du Big Bang, pourquoi l’Univers est-il aujourd’hui principalement constitué de matière ? Où est passée toute l’antimatière ?

« Le fait que notre Univers actuel soit dominé par la matière reste l’une des énigmes les plus déroutantes et anciennes de la physique moderne », estime Yanou Cui, auteure principale de la nouvelle étude. « Un déséquilibre ou une asymétrie subtile entre la matière et l’antimatière dans l’Univers primitif est nécessaire pour obtenir la prépondérance actuelle de la matière, mais ne peut être réalisé dans le cadre connu de la physique fondamentale. »

Bien qu’il existe des théories à même de répondre à cette question, elles s’avèrent extrêmement difficiles à tester en laboratoire. Dans un nouvel article publié dans la revue Physical Review Letters, Cui et ses collègues proposent d’utiliser la rémanence du Big Bang lui-même pour réaliser l’expérience.

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La théorie destinée à être testée est connue sous le nom de leptogenèse, un processus impliquant la désintégration de particules qui pourrait avoir conduit à l’asymétrie entre matière et antimatière dans l’Univers primitif. En d’autres termes, l’asymétrie de certains types de particules élémentaires aux tout premiers instants du cosmos aurait pu se développer au fil du temps et des interactions entre particules pour engendrer l’asymétrie entre matière et antimatière ayant rendu l’Univers tel que nous le connaissons (et la vie) possible.

Laboratoire cosmique

Considérée comme l’un des mécanismes les plus convaincants pour générer l’asymétrie matière-antimatière, la leptogenèse implique une nouvelle particule fondamentale : le neutrino droitier. La production de ce dernier nécessitant beaucoup plus d’énergie que celle pouvant être générée dans les collisionneurs de particules sur Terre, tester la leptogenèse s’y révèle impossible.

Heureusement, il se trouve que les conditions nécessaires existaient déjà dans certaines parties de l’Univers primitif, au cours de la période inflationniste. Caractérisée par l’expansion exponentielle du temps et de l’espace lui-même, celle-ci s’est produite juste après le Big Bang et n’a duré que quelques fractions de seconde seulement.

« L’inflation cosmique a fourni un environnement hautement énergétique, permettant la production de nouvelles particules lourdes ainsi que leurs interactions », explique Cui. « L’Univers inflationniste se comportait exactement comme un collisionneur de particules, sauf que la quantité d’énergie impliquée y était jusqu’à 10 milliards de fois supérieure. »

Utiliser la rémanence du Big Bang pour élucider l’origine de la matière

Les résultats de ces « expériences cosmiques » seraient décelables dans la distribution des galaxies, ainsi que le fond diffus cosmologique, la rémanence du Big Bang dont les astrophysiciens ont tiré une grande partie de leur compréhension actuelle de l’évolution de l’Univers.

« Nous démontrons que les conditions essentielles à la génération de l’asymétrie, y compris les interactions et les masses du neutrino droitier, qui est l’acteur clé ici, peuvent laisser des empreintes distinctives qui peuvent être mesurées avec précision », détaille Cui.

La chercheuse estime que les observations astrophysiques prévues dans les années à venir pourraient potentiellement détecter de tels signaux et élucider l’origine cosmique de la matière.

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