Énigme de l'antimatière : des mesures inégalées au Tévatron

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Où est passée l'antimatière ? C'est à cette question que tentent de répondre deux collaborations internationales situées au laboratoire Fermilab, aux États-Unis, qui viennent de réaliser de nouvelles mesures des phénomènes extrêmement rapides se produisant lors de transformations entre matière et antimatière.

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En première mondiale, les expériences menées au Tevatron, l'accélérateur du laboratoire Fermilab, auxquelles participent des équipes du CNRS/IN2P3 et du CEA/DSM/Dapnia, ont permis d'observer avec une précision inégalée la transition de certaines particules subatomiques (les mésons Bsmésons Bs) en antiparticules (les mésons anti-Bs) et vice-versa. La mesure de la « fréquence de cette transition » est très attendue par la communauté scientifique. A la clé, il y a l'établissement d'un modèle théorique de l'Univers et une meilleure compréhension d'une des grandes énigmes de la science : la disparition de l'antimatière.

Il est communément admis par les scientifiques que juste après le Big BangBig Bang, l'énorme quantité d'énergie disponible dans notre Univers naissant s'est transformée, conformément à la célèbre formule d'EinsteinEinstein « E=MC² », en des quantités égales de matièrematière et d'antimatière.

Particules et antiparticules étant de même massemasse mais de charges opposées auraient dû tout naturellement s'annihiler les unes les autres, débouchant sur un univers rempli de rayonnement mais vide de matière. Manifestement, l'Univers dans lequel nous vivons aujourd'hui est constitué de matière et aucun atomeatome d'antimatière à l'état naturel n'a pu être découvert. Les antiparticules ne sont produites que lors d'interactions de particules cosmiques avec l'atmosphèreatmosphère terrestre. C'est ainsi qu'en 1933 ont été observés les premiers positons (anti électronsélectrons de charge positive).

La disparition de l'antimatière dans l'Univers est donc une énigme, car le Modèle StandardModèle Standard de la physiquephysique des particules ne semble pas en mesure d'expliquer l'asymétrie qui serait nécessaire entre les quantités de matière et d'antimatière au début de l'Univers pour reproduire ce qui est observable aujourd'hui. L'enjeu des travaux actuels consiste à bâtir une nouvelle théorie au-delà de ce Modèle Standard qui puisse, en particulier, élucider cette énigme. Une façon d'aborder expérimentalement le problème est d'étudier les transitions entre des mésons Bs et leurs antiparticules, les mésons anti-Bs. Ces transitions sont possibles parce que ces mésons sont électriquement neutres. La fréquence de leurs transitions, qui est extrêmement élevée et donc très difficile à mesurer, est un élément clé pour y parvenir.

Première mesure de la fréquence de transition

Aujourd'hui, on sait couramment produire en laboratoire des antiparticules. Ainsi des faisceaux de protonsprotons et d'antiprotonsantiprotons sont accélérés dans le tube à vide du Tevatron, l'accélérateur de Fermilab, et mis en collision en deux points de sa circonférence, les points dits d'interaction, autour desquels ont été construits les détecteurs de deux expériences appelées « D0 » (prononcer « D zéro ») et « CDF ». Ces expériences sont menées par de grandes collaborations internationales, et leur but est de faire un grand nombre de mesures de précision qui puissent être confrontées au Modèle Standard et à ses possibles extensions. Afin de poursuivre ce programme ambitieux durant plusieurs années, de nombreux physiciensphysiciens et ingénieurs ont amélioré les détecteurs existants, mais aussi développé, construit et installé de nouveaux moyens de détection.

Les données analysées par D0 et CDF correspondent aux informations laissées dans les détecteurs par le grand nombre de particules qui sont produites lors des interactions proton-antiproton aux deux points d'interaction. Pendant la période allant de février 2002 à janvier 2006, plusieurs dizaines de milliers de milliards d'interactions proton-antiproton ont eu lieu : un tri en ligne de ces interactions a réduit le flot de données à plusieurs milliards d'événements intéressants qui ont été enregistrés sur bandes magnétiquesbandes magnétiques. L'acquisition d'une telle quantité de données a été rendue possible grâce aux excellentes performances du Tevatron et des détecteurs.

Grâce aux propriétés particulières de désintégration des mésons Bs et anti-Bs, la petite fraction d'événements contenant ces particules a été extraite de la masse de ceux qui ont été enregistrés. Elle a ensuite été analysée pour déterminer la fréquence de transition. Après un premier résultat de l'expérience D0, établissant que la fréquence de transition entre mésons Bs et anti-Bs est comprise entre 2700 et 3300 milliards de fois par seconde, CDF a annoncé la mesure de cette fréquence à une valeur de 2800 milliards de fois par seconde avec une précision inégalée de 2%, mesure à laquelle a directement contribué le groupe CDF du laboratoire physique nucléaire et hautes énergies (CNRS/IN2P3 et Universités Paris 6-7).

Ces résultats spectaculaires ont été rendus possibles par la conjonctionconjonction des excellentes caractéristiques des ensembles de détection des expériences, des remarquables performances du Tevatron et d'une exploitation complète et judicieuse de tous ces outils et atouts au moyen d'analyses très élaborées.

Poursuivre l'exploration

La mesure de cette fréquence constitue un réel tour de force et renforce par sa précision la connaissance du Modèle Standard. La valeur obtenue demeure néanmoins conforme au cadre de ce modèle et indique donc que l'on n'a pas encore réussi à en atteindre les limites. Cela implique d'utiliser un autre outil que les transitions des mésons Bs pour mettre en évidence la source de l'asymétrie primordiale entre matière et anti-matière.

Les physiciens poursuivent déjà cette exploration pour tenter de mettre en défaut le Modèle Standard sur plusieurs fronts, dès maintenant au Tevatron et très bientôt au LHC à Genève. C'est en effet par la juxtaposition d'un ensemble d'indices que l'on pourra percer les mystères de l'Univers.

Références :
- « D0 » (du nom du point d'interaction sur le Tevatron, où est situé le détecteur) : Collaboration internationale de 700 physiciens provenant de 90 instituts et 20 pays. La France contribue à cette collaboration par l'intermédiaire de groupes issus de 7 laboratoires du CNRS/IN2P3 (CPPM/Université de la Méditerranée/Marseille, IPHC/Université Louis PasteurLouis Pasteur/Strasbourg et Université de Haute Alsace, IPNL/Université Claude BernardClaude Bernard/Lyon, LALLAL/Orsay, LPC/Université Blaise PascalBlaise Pascal/Clermont-Ferrand, LPNHE/Universités Paris 6-7/Paris, LPSC/Université Joseph FourierJoseph Fourier/Grenoble) et d'une équipe du CEA/DSM/Dapnia/SPP ainsi que par une forte contribution du grand centre de calcul français de physique des particules installé à Lyon-Villeurbanne.
- Fermi National Accelerator Laboratory : Consulter le site web
- IN2P3 : Consulter le site web

- « CDF » (Collider Detector Facility) : Collaboration internationale de 700 physiciens provenant de 61 instituts et 13 pays. La France est présente dans cette collaboration par l'intermédiaire du groupe du LPNHE/Paris (CNRS/IN2P3 et Universités Paris 6-7) et via le grand centre de calcul français de physique des particules installé à Lyon-Villeurbanne.
- Collider Detector Facility : Consulter le site web
- CNRS/IN2P3 et Universités Paris 6-7 : Consulter le site web

- Le LHC (Large Hadron ColliderLarge Hadron Collider), est un collisionneur proton-proton sept fois plus puissant que le Tevatron. Il est actuellement en cours de montage au CERNCERN à Genève. Les premières interactions y sont prévues pour l'été 2007.
- CERN : Consulter le site web