Cela fait plus de 70 ans qu'elle nargue les physiciens. « Où est passée l'antimatière ? », les entend-on s'écrier. Qu'est donc devenue l'antimatière primordiale qui, selon la théorie du Big Bang, aurait dû être créée au début de l'Univers en quantité égale à celle de la matière qui constitue aujourd'hui tous les objets et les êtres vivants ? Ce n'est pourtant pas faute d'avoir observé des particules d'antimatière à de multiples reprises, et même d'en créer aujourd'hui dans les laboratoires pour les étudier, comme en témoignent les antiatomes d'hydrogène fabriqués depuis 1995 au Cern¹, à Genève.

 

L'histoire de l'antimatière commence en 1928, quand Paul Dirac, qui étudie le comportement de l'électron autour de l'atome, suppose, à partir des équations de la physique quantique et de la relativité, l'existence d'une particule inconnue : l'antiélectron, ou positron. Celui-ci doit être la copie conforme de l'électron, à ceci près que sa charge électrique doit être l'exacte opposée de celle de l'électron. 

La théorie du Big Bang décrit la naissance de l'Univers tel que nous le connaissons, avec l'apparition de l'espace et du temps, de l'énergie et de la matière. Toute la matière aurait été ainsi créée, les conditions extrêmes d'énergie, de densité et de température nécessaires étant réunies. Toutefois, pour les physiciens, parler d'une origine de l'Univers est difficile. Car plus on tente de se rapprocher d'un hypothétique instant initial, plus on s'éloigne de la physique actuellement connue et imaginable.

L'électron a une charge négative, le positron une charge positive. Autre propriété : lorsque ces deux particules se rencontrent, elles s'annihilent immédiatement en libérant de l'énergie². Quatre ans plus tard, Carl Anderson confirme l'existence du positron. Il en repère la trace dans les rayons cosmiques qui viennent frapper notre atmosphère. D'autres découvertes de particules d'antimatière suivent : en 1955, l'antiproton et en 1960, l'antineutron. Mais un paradoxe subsiste : Pourquoi alors que l'équation de Dirac est si harmonieuse, l'Univers est-il aussi bancal ? Comment la matière a-t-elle pris le pas sur sa consœur ? À l'échelle cosmique en effet, il semblerait que plus une once de cette antimatière originelle ne subsiste. Et c'est heureux, car si le Big Bang avait créé autant de matière que d'antimatière, elles se seraient toutes les deux totalement annihilées, et nous ne serions pas là pour en parler.

 

La réponse à ce mystère pourrait venir d'une infime différence de comportement à l'échelle microscopique entre les deux faces de la même « pièce ». Les sœurs ennemies ne seraient pas si jumelles. Cette « brisure de symétrie », comme la dénomment les physiciens, les fascine depuis longtemps. Pour eux, c'est la piste la plus prometteuse pour expliquer la disparition de l'antimatière, et celle où les efforts de recherche sont les plus importants. Même si d'autres hypothèses doivent encore être mises à l'épreuve. Telle celle affirmant que l'antimatière existe toujours. Elle serait présente au sein d'antimondes (voir encadré ci-dessous) suffisamment éloignés du nôtre pour qu'ils ne s'annihilent pas mutuellement. C'est Andreï Sakharov, père de la bombe à hydrogène soviétique et Prix Nobel de la paix, qui le premier a donné en 1966 une interprétation cosmologique de cette rupture de symétrie, de cette étrange inclination de la nature. D'après lui, pour expliquer l'ordre de grandeur du schisme dont nous sommes issus, il a fallu que la dissymétrie affecte des particules très lourdes. Cela a donc dû se produire dans les premières fractions de seconde de l'Univers, période que les physiciens appellent ère de grande unification des forces d'interaction – nucléaires forte, faible et électromagnétique (voir enquête 9). Et l'une des conditions qu'il pose pour que la matière prédomine au bout du compte, c'est cette subtile différence prévue à l'échelle

microscopique entre matière et antimatière. Un premier indice concret de son existence arrive en 1964 grâce à une particule appelée kaon (ou méson K) neutre, composée d'un quark « bas » et d'un antiquark « étrange ». Les physiciens ont montré que cette particule instable viole au cours de sa désintégration la loi de symétrie entre matière et antimatière³. Récemment, deux expériences concurrentes, Belle au Japon et Babar aux États-Unis, ont été lancées pour identifier une asymétrie sur des particules plus lourdes : le méson « beau » (fait d'un quark « bas » et d'un antiquark « beau ») et son antiparticule. Conclusion : il existe aussi dans ce cas des effets de violation de symétrie, qui plus est de plus grande amplitude et plus variés. « C'est la première fois que le divorce entre matière et antimatière apparaît aussi net sur des particules plus lourdes que le kaon », commente Jacques Chauveau, chercheur au Laboratoire Physique nucléaire et hautes énergies⁴.

 

Belle avancée. Mais il faudra parcourir encore bien du chemin avant de décrire de façon quantitative l'excès primordial de la matière. Les chercheurs estiment en effet, en comparant la quantité d'énergie, c'est-à-dire de photons, qui baigne l'Univers et celle de la matière visible, que le surplus de matière – celle qui est présente aujourd'hui – ayant subsisté après le Big Bang, une fois l'essentiel disparu au cours de l'annihilation, est d'une partie pour un milliard. Et, comme l'a avancé Sakharov, donc, les conditions n'étaient réunies pour cela qu'à l'ère de la grande unification. Autrement dit, à une époque où l'énergie des particules était colossale, encore largement hors d'atteinte de celles recréées dans les accélérateurs de particules actuels. Même pour le LHC⁵, qui entrera en service en 2007 au Cern. À la différence de ses prédécesseurs, ce grand collisionneur de particules se penchera sur une variété « étrange » du méson « beau » (un quark « étrange » et un antiquark « beau »). L'expérience LHCb – b pour beauty experiment – permettra tout de même d'explorer des énergies encore plus grandes pour aller voir si les excentricités de l'antimatière y sont encore visibles. Rendez-vous dans deux ans.

 

Frédéric Guérin et Julien Bourdet