matière vs antimatière

« 🔷 Introduction : un mystère fondamental Lorsque l’on lève les yeux vers le ciel, que l’on contemple les galaxies, les étoiles ou que l’on pense simplement à notre corps, à la Terre ou à tout ce qui nous entoure, une question vertigineuse peut surgir : pourquoi tout cela existe-t-il ? Pourquoi y a-t-il de la matière dans l’Univers, alors que, selon les lois de la physique que l’on connaît, tout aurait dû disparaître en même temps que son opposé : l’antimatière ? La physique moderne nous enseigne que lorsque l’énergie se transforme en matière — comme cela a pu se produire aux tout premiers instants de l’Univers — elle crée toujours une quantité égale de matière et d’antimatière.

Ces deux formes devraient donc s’annihiler mutuellement, laissant un Univers vide, rempli uniquement d’énergie, sans étoiles, sans planètes, sans vie. Et pourtant… nous sommes là.

Il y a de la matière, mais presque pas d’antimatière.

L’Univers est asymétrique. Alors une question s’impose : Pourquoi la matière a-t-elle triomphé de l’antimatière après le Big Bang ? 🔹 1.

Comprendre matière et antimatière D’abord, reprenons les bases.

En Terminale, on apprend que la matière est composée d’atomes, euxmêmes formés de particules : les électrons, les protons, les neutrons. Mais la physique des particules nous révèle que chaque particule a une antiparticule correspondante. C’est un principe fondamental du modèle standard. Prenons quelques exemples : • L’électron, particule chargée négativement, a pour antiparticule le positon, qui a exactement la même masse mais une charge positive. • Le proton a un antiproton, et le neutron a un antineutron. Lorsqu’une particule rencontre son antiparticule, elles s’annihilent en libérant leur énergie sous forme de photons gamma.

Ce phénomène est observé et confirmé expérimentalement. Inversement, on peut aussi produire une paire matière-antimatière à partir d’énergie pure, grâce à la célèbre équation E = mc² d’Einstein. Ce type de conversion a lieu dans les accélérateurs de particules comme ceux du CERN, et aussi dans certaines réactions naturelles dans le cosmos. Ce qui est frappant, c’est que matière et antimatière sont totalement symétriques.

Elles devraient donc se comporter exactement de la même façon… sauf que ce n’est pas ce que l’Univers nous montre. 🔹 2.

Le modèle du Big Bang et l’origine du paradoxe En Terminale, nous étudions le modèle du Big Bang, qui décrit l’évolution de l’Univers depuis un état extrêmement chaud et dense. Au tout début, dans les premières fractions de seconde, l’énergie présente dans l’Univers était suffisante pour créer en masse des particules et des antiparticules. Et là, on entre dans le paradoxe : si ces créations étaient symétriques — autant de matière que d’antimatière — alors, dès que l’Univers a refroidi, toutes les particules auraient dû s’annihiler avec leurs antiparticules.

Résultat : plus aucune matière. Mais ce n’est pas ce que nous observons aujourd’hui.

Notre Univers est massivement dominé par la matière : les galaxies, les planètes, les molécules, tout ce que nous connaissons en est fait. L’antimatière, elle, semble avoir totalement disparu, à l’exception de rares cas produits artificiellement. Même les télescopes les plus puissants n’observent pas de grandes zones d’antimatière dans l’Univers.

Cela veut dire que dès les premières secondes du Big Bang, quelque chose a brisé cette symétrie. Mais quoi ? 🔹 3.

La symétrie CP : une piste pour comprendre Une des explications majeures aujourd’hui repose sur un concept très important : la violation de la symétrie CP. La symétrie CP repose sur deux transformations : • C, pour « charge », consiste à remplacer chaque particule par son antiparticule. • P, pour « parité », correspond à une inversion spatiale : on regarde le phénomène comme dans un miroir. La symétrie CP postule que si on applique ces deux transformations en même temps, les lois de la physique ne devraient pas changer. Autrement dit, une réaction observée dans un miroir, avec de l’antimatière à la place de la matière, devrait se dérouler de la même manière. Or, en 1964, on a découvert une violation de cette symétrie dans la désintégration des mésons K. Cette découverte, faite par Cronin et Fitch, a été un choc pour la communauté scientifique.

Elle prouvait que matière et antimatière ne se comportaient pas exactement de la même façon. Par la suite, d’autres expériences, notamment avec les mésons B, ont confirmé cette violation. Même si ces différences sont extrêmement faibles — de l’ordre de 1 pour 10 000 — elles pourraient suffire, dans un contexte aussi extrême que celui.... »