Le Big Bang aurait dû créer des quantités égales de matière et d’antimatière dans l’univers primitif. Mais aujourd’hui, tout ce que nous voyons, des plus petites formes de vie sur Terre aux plus grands objets stellaires, est presque entièrement constitué de matière. En comparaison, il n’y a pas beaucoup d’antimatière à trouver. Quelque chose a dû se produire pour faire pencher la balance. L’un des plus grands défis de la physique est de comprendre ce qui est arrivé à l’antimatière, ou pourquoi nous constatons une asymétrie entre la matière et l’antimatière.
Les particules d’antimatière partagent la même masse que leurs homologues de matière, mais les qualités telles que la charge électrique sont opposées. Le positron chargé positivement, par exemple, est l’antiparticule de l’électron chargé négativement. Les particules de matière et d’antimatière sont toujours produites par paire et, si elles entrent en contact, elles s’annihilent mutuellement, laissant derrière elles de l’énergie pure. Pendant les premières fractions de seconde du Big Bang, l’univers chaud et dense bourdonnait de paires de particules et d’antiparticules entrant et sortant de l’existence. Si la matière et l’antimatière sont créées et détruites ensemble, il semble que l’univers ne devrait rien contenir d’autre que des restes d’énergie.
Néanmoins, une infime partie de la matière – environ une particule par milliard – a réussi à survivre. C’est ce que nous voyons aujourd’hui. Au cours des dernières décennies, des expériences de physique des particules ont montré que les lois de la nature ne s’appliquent pas de la même manière à la matière et à l’antimatière. Les physiciens cherchent à en découvrir les raisons. Les chercheurs ont observé des transformations spontanées entre les particules et leurs antiparticules, se produisant des millions de fois par seconde avant leur désintégration. Une entité inconnue intervenant dans ce processus au début de l’univers pourrait avoir fait en sorte que ces particules « oscillantes » se désintègrent sous forme de matière plus souvent qu’elles ne se désintègrent sous forme d’antimatière.
Pensez à une pièce de monnaie qui tourne sur une table. Elle peut atterrir sur son côté pile ou sur son côté face, mais elle ne peut pas être définie comme « pile » ou « face » tant qu’elle ne s’arrête pas de tourner et ne tombe pas d’un côté. Une pièce a une chance sur deux d’atterrir sur sa tête ou sur sa queue, donc si l’on fait tourner un nombre suffisant de pièces exactement de la même manière, la moitié d’entre elles devraient atterrir sur la tête et l’autre moitié sur la queue. De la même manière, la moitié des particules oscillantes de l’univers primitif devraient s’être désintégrées en matière et l’autre moitié en antimatière.
Cependant, si une sorte spéciale de bille roulait sur une table de pièces de monnaie tournantes et faisait en sorte que chaque pièce qu’elle frappait atterrissait sur sa tête, cela perturberait tout le système. Il y aurait plus de têtes que de queues. De la même manière, un mécanisme inconnu pourrait avoir interféré avec les particules oscillantes pour qu’une petite majorité d’entre elles se désintègrent sous forme de matière. Les physiciens pourraient trouver des indices sur ce processus en étudiant les différences subtiles dans le comportement des particules de matière et d’antimatière créées lors de collisions de protons à haute énergie au Grand collisionneur de hadrons. L’étude de ce déséquilibre pourrait aider les scientifiques à peindre une image plus claire de la raison pour laquelle notre univers est rempli de matière.