La recherche de l'antimatière manquante dans l'univers reste dans un état d'incertitude ennuyeux

Des chercheurs déjouent les côtés d'un détecteur ultra-sensible conçu pour capter la lumière

Les premières particules de l'Univers se sont formées après l'explosion d'une masse chaude et dense. Les physiciens pensent que dans les conditions extrêmes du Big Bang, la lumière s'est transformée en matière: électrons, protons et neutrons, qui sont devenus par la suite une partie de nous.

Mais les physiciens ne savent pas exactement comment une telle transformation a eu lieu. Dans les années 90, les physiciens ont montré qu'ils pouvaient convertir la lumière en matière en entrant en collision deux faisceaux de rayonnement d'énergie extrêmement élevée. Ils ont également constaté que la lumière crée en même temps une quantité égale d'antimatière. Les toutes premières particules de matière devaient rencontrer leurs proches du domaine de l'antimatière et s'anéantir. Une explosion - et il n'y a plus de matière.

Mais, évidemment, il y a de la matière. Pour une raison quelconque, après le Big Bang, la matière s'est formée plus que l'antimatière, et les physiciens ne savent pas pourquoi. «C'est l'un des plus grands mystères de l'univers», explique le physicien Don Lincoln du Fermilab .

Au cours des 50 dernières années, dans les laboratoires et les équations, ils ont recherché des processus qui produisent plus de matière que d'antimatière. Un candidat: un processus radioactif prévu dans lequel deux neutrons sont convertis en deux protons dans un atome. Les théoriciens pensent que dans ce processus, connu sous le nom de double désintégration bêta sans neutrinol , deux électrons et aucune antimatière ne se produisent. Deux nouveaux morceaux de matière apparaissent dans l'Univers et les détecteurs devraient pouvoir les détecter. Si ce processus s'est produit plusieurs fois après le Big Bang, cela peut expliquer d'où vient cette matière supplémentaire.

Mais voici le hic: personne n'a jamais vu deux neutrons se transformer en deux protons. D'après les expériences et calculs précédents, il est clair que ce processus est le plus susceptible de se produire dans certains atomes, par exemple, dans les atomes de germanium et de xénon. Lorsque deux neutrons deviennent des protons dans un atome de germanium, l'atome se transforme en un nouvel élément, le sélénium. Dans un article récent publié dans la revue Nature, les chercheurs utilisent les données de leur détecteur supersensible pour calculer qu'il faut plus de 10 ²⁵ ans à la moitié d'un cristal de germanium pour devenir du sélénium par une telle désintégration. C'est un quadrillion de fois l'âge de l'univers. "Il s'agit en fait d'un événement très rare", a déclaré le physicien Peter Grabmayr, l'un des participants à l'expérience du Germanium Detector Array (GERDA) et l'un des auteurs de l'ouvrage.



Grabmeir n'a pas peur de telles chances. Pour confirmer qu'un tel processus a lieu, il n'est pas nécessaire de transformer la moitié du cristal en sélénium. Il est nécessaire de détecter la désintégration de seulement quelques atomes. Si un atome de leur cristal de germanium de 36 livres se transforme en sélénium, il sera capable de détecter l'énergie de deux électrons qui apparaissent, qui ressembleront à de la lumière lors d'une collision avec un détecteur. Pour empêcher d'autres sources de rayonnement, telles que les rayons cosmiques, d'affecter le détecteur, un cristal de germanium a été placé dans un réservoir d'argon liquide, à une profondeur de 1400 mètres sous une montagne dans le centre de l'Italie.

La possibilité demeure qu'ils ne découvriront jamais ce processus, comme le dit Lincoln. "Mais ce n'est qu'une opinion", dit-il. - Je ne le soutiendrais pas. Je ne serais pas surpris si une telle expérience réfutait mon intuition. "

En attendant, les physiciens explorent d'autres processus qui peuvent expliquer le fait que l'univers est composé de matière. En particulier, ils veulent trouver toutes les différences entre l'antimatière et la matière, car toute divergence peut expliquer pourquoi leur sort dans le premier univers s'est avéré différent. En décembre dernier, l'expérience Alpha au CERN a mesuré les propriétés anti-hydrogène, mais n'a trouvé aucune différence inattendue par rapport à l'hydrogène. En janvier, l'expérience Beauty du Large Hadron Collider a découvert que pendant la désintégration d'une particule appelée lambda-baryon , ses produits de désintégration ne se séparent pas sous des angles tels que son homologue de l'antimatière.

Au cours des dix prochaines années, Fermilab prévoit de construire un accélérateur de particules souterrain de 1300 km de l'Illinois au Dakota du Sud - l'expérience souterraine des neutrinos profonds (DUNE) [expérience souterraine profonde avec les neutrinos]. Le but de l'expérience est de lancer des rayons à partir de neutrinos et d'antineutrinos sur de longues distances, dit Lincoln. Si les neutrinos se comportent différemment d'un antineutrino, cela peut aider à découvrir une autre raison pour laquelle il y a plus de matière dans l'univers que l'antimatière.

Ces recherches seront bénéfiques, même si elles ne trouvent rien, dit Grabmeir. Leur objectif est de comprendre les règles de fonctionnement de l'univers. Si le processus dont Grabmeyr est fan n'existe pas, ce fait lui-même peut être utilisé pour exclure nombre des hypothèses proposées.

Le groupe Grabmeyer prévoit de surveiller l'Allemagne et les signes de décroissance radioactive pendant encore deux ans. En fin de compte, ils veulent utiliser jusqu'à une tonne de germanium dans leur détecteur. Plus d'Allemagne - plus susceptible de voir la décadence. «À un moment donné, nous le retrouverons», explique Grabmeyr. Mais pour l'instant, ils n'attendent plus.