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Asymétrie Matière Antimatière
par Sophie Trincaz - 1er octobre 2019
Peut-on comprendre le déficit d’antimatière dans l’univers à partir de l’infime différence de comportement entre les particules et les antiparticules, découverte dans les désintégrations des particules dites « étranges ». Aujourd’hui, l’étude des propriétés des particules dites « belles » et des neutrinos offre de nouvelles perspectives pour observer des phénomènes très rares et rechercher des déviations par rapport aux prédictions du Modèle Standard.
L’équipe « asymétrie matière antimatière » travaille sur deux axes de recherche : la physique des neutrinos et la physique des saveurs lourdes (beauté et charme). Pour le premier axe, l’équipe est engagée dans les expériences NA61 et T2K, et pour le second, dans les expériences LHCb et BABAR, ainsi que dans la R&D pour une future expérience SuperB. Les activités de recherche de cette équipe consistent à la fois en la mesure des paramètres fondamentaux du modèle standard (MS) et en l’exploitation de sondes sensibles à la « nouvelle physique » (NP). Les neutrinos sont massifs et oscillant ; certains phénomènes liés aux quarks lourds, tel que la violation de CP et les désintégrations rares, ont une sensibilité à la NP à l’échelle du TeV.
L’absence d’antimatière dans l’Univers est une grande question qui motive la recherche en physique des particules puisque tout formalisme de physique quantique relativiste prédit l’antimatière avec les mêmes interactions que la matière. L’antimatière est couramment produite dans les laboratoires et utilisée pour des applications, médicales ou autres. Cependant elle est absente de l’Univers observable. Alors que, sauf à invoquer des hypothèses ad hoc, l’évolution cosmologique commence avec autant de matière que d’antimatière, pourquoi ne reste-t-il aujourd’hui que de la matière ?
Les conditions énoncées par Sakharov pour qu’une telle évolution se produise requièrent que, lors d’une séquence primordiale où l’Univers se trouve hors de l’équilibre thermodynamique, soient à l’œuvre une ou des interactions ne conservant ni le nombre baryonique ni la conjugaison de charge C ni la symétrie de charge-parité CP. Dans un tel scénario la matière est un infime résidu (1 baryon pour 1010 photons) d’une gigantesque annihilation. Le problème de l’antimatière restera posé tant que cette interaction et les particules qui la subissent n’auront pas été caractérisées.
Depuis la découverte du boson de Higgs, le modèle standard de la physique des particules est complet : il ne prédit pas de nouvelles particules. Sa validité repose sur le fait qu’aucune observation en contradiction avec ses prédictions n’ait été décelée. C’est une avancée décisive pour la compréhension de la masse des particules élémentaires. Dans le modèle standard, la violation de CP expérimentalement observée dans les interactions faibles des quarks est une propriété du mélange des saveurs que décrit la matrice de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM), irréductiblement complexe dès lors qu’existent trois générations de quarks. Quantitativement, toutefois, l’intensité de la violation de CP observée est beaucoup trop faible pour expliquer le problème de l’antimatière.
Une autre source de violation de CP doit être recherchée au-delà du modèle standard : la théorie doit être étendue. Il est nécessaire de prendre en compte les oscillations des neutrinos en leur donnant des masses alors qu’ils n’en ont pas dans le modèle standard. L’absence de violation de CP dans les interactions fortes reste également une question à examiner. Enfin, la matière sombre inférée par les observations astrophysiques pourrait être le signe que de nouvelles particules existent. Avec des neutrinos massifs apparaît un mélange des saveurs leptoniques, décrit par la matrice de Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS), produit d’une matrice analogue à la matrice CKM par une matrice diagonale mettant en jeu deux nouvelles phases de violation de CP, si les neutrinos sont de type Majorana. Cette nouvelle source de violation de CP pourrait amener la solution du problème de l’antimatière. Pour que la baryogenèse résulte de la leptogenèse que ce scenario prédit, des relations subtiles doivent exister entre les lois de conservation des nombres baryonique et leptoniques (et leur violation).
Les recherches en physique des saveurs (celle qui étudie les interactions des fermions du modèle standard) ont pour objectif la découverte d’une nouvelle physique au-delà du modèle standard. Un sujet majeur est la recherche de la violation de CP dans les oscillations des neutrinos. Le LPNHE participe à l’expérience T2K au Japon dont les résultats semblent indiquer un effet important, une différence entre neutrinos et antineutrinos pour la probabilité d’apparition de la saveur électro- nique dans un faisceau de saveur muonique. Le laboratoire est impliqué également dans la prépa- ration d’expériences de nouvelle génération qui prolongeront ces recherches et permettront une étude détaillée de cette possible violation de CP.
Dans le secteur des quarks, les expériences recherchent des phénomènes rares initiés par des quarks de saveurs lourdes, le quark b en particulier. La principale activité du LPNHE dans ce domaine est l’expérience LHCb au CERN qui a pris la suite de l’expérience BABAR au SLAC. La recherche de nouvelles sources non standard de violation de CP, comme celles que pourrait induire le quark c, fait partie d’un programme plus vaste focalisé sur la recherche de désintégrations rares du quark b. Les transitions par courant faible avec changement de saveur sont particulièrement étudiées car elles font intervenir des fluctuations quantiques (boucles) et pourraient révéler virtuellement de nouvelles particules. Certains résultats actuels sur les transitions b–>sll sont à la limite de la compatibilité avec les prédictions standards. L’interprétation des données expérimentales nécessite une compréhension fine des effets hadroniques à laquelle contribuent les théoriciens du LPNHE. Le laboratoire est de plus activement engagé dans l’évolution du dispositif expérimental (déclenchement, acquisition de données et nouveau trajectographe à fibres scintillantes) que la montée en luminosité du LHC rend nécessaire.
La détermination du moment magnétique anormal du muon est un autre sujet où l’extrême précision des calculs théoriques et des mesures permet une comparaison très sensible entre théorie standard et expérience, actuellement en tension. L’évaluation des diagrammes en boucle repose sur la mesure de la section efficace e+e- → hadrons à basse énergie constamment améliorée par plusieurs expériences dont BABAR. Une équipe du LPNHE effectue les calculs théoriques en développant un modèle phénoménologique pour synthétiser les données de section efficace. Une nouvelle expérience commence à FermiLab en 2017.
La quête de nouvelle physique passe également par la recherche directe de transitions interdites par le modèle standard. LHCb effectue des tests de l’universalité des couplages des leptons aux interactions électrofaibles. Le LPNHE participe à une nouvelle expérience en préparation au Japon, COMET qui, comme signe de la violation de la conservation de nombres leptoniques, recherche la conversion en électrons des muons d’un faisceau mis à l’arrêt dans une cible.
Une activité phénoménologique intense a fait émerger l’hypothèse d’un secteur caché où de nouvelles particules pourraient interagir très faiblement avec les particules du modèle standard. Les messagers des nouvelles interactions ouvriraient ainsi des portails vers la nouvelle physique. Ils pourraient être des fermions (comme des neutrinos lourds, stériles), des bosons vecteurs (comme le boson U ou le photon sombre), des particules scalaires (de nouveaux bosons de Higgs), ou pseudoscalaires (axions ou pseudo-axions). Parmi les expériences en chantier le LPNHE suit le projet SHiP de beam dump proposé au SPS du CERN qui permettra de rechercher les désintégrations et les interactions de ces nouvelles particules. La détection directe de la matière noire produite par un accélérateur est ainsi envisageable.
Collaborations : T2K – LHCb - BABAR – COMET – PMPP – SHiP
