Un quark de plus par milliard : le mécanisme est exact, le compte est faux

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Vous êtes fait du reste d’un massacre. Dans la première microseconde, la matière et l’antimatière se sont annihilées presque intégralement — et « presque » est ici le mot le plus important de la cosmologie. Pour chaque milliard de paires détruites, un quark a survécu. La physique connaît le mécanisme exact qui a pu créer ce déséquilibre. Elle sait aussi, calcul fait, qu’il est un milliard de fois trop faible.

L’annihilation qui a presque tout effacé

Remontez à 10⁻³² seconde. L’Univers sort de l’inflation et se remplit de ses premières briques : des quarks et des antiquarks, qui s’annihilent en photons à chaque rencontre. Si la symétrie entre matière et antimatière avait été parfaite, l’histoire s’arrêterait là : un univers de lumière pure, sans un seul atome, sans une seule étoile, sans personne pour poser la question. Établi

Or il reste quelque chose. Le rayonnement fossile permet de compter les photons survivants de l’annihilation et de les comparer aux baryons qui ont subsisté. Le rapport, mesuré par la mission Planck, vaut environ six baryons pour dix milliards de photons. Ce nombre — six sur dix milliards — est la trace comptable du massacre : pour un milliard d’antiquarks, il y avait un milliard et un quarks. Tout l’univers visible est cet « et un ». Établi

1967 : les trois conditions de Sakharov

La question devient alors : d’où vient l’excédent ? En 1967, Andreï Sakharov démontre qu’un univers né symétrique ne peut fabriquer ce surplus que si trois conditions sont réunies : une interaction qui ne conserve pas le nombre de baryons ; une sortie de l’équilibre thermique, faute de quoi toute asymétrie créée serait aussitôt défaite ; et une brisure des symétries C et CP, faute de quoi chaque processus créant un quark serait exactement compensé par son miroir créant un antiquark. Établi

Le papier tient en quatre pages, dans une revue soviétique de lettres. Il passe à peu près inaperçu pendant dix ans. Il est aujourd’hui l’un des textes fondateurs de la cosmologie des particules — et un piège de citation classique : une liste de références sur trois lui attribue le mauvais volume.

1964 : le miroir était déjà brisé

La troisième condition de Sakharov n’était pas une spéculation : trois ans plus tôt, en 1964, l’expérience de Christenson, Cronin, Fitch et Turlay avait surpris des kaons neutres en train de violer la symétrie CP — la combinaison « échanger particules et antiparticules, puis regarder dans un miroir ». La nature distingue donc bel et bien la matière de l’antimatière, faiblement, mais mesurablement. C’est l’interaction faible, et elle seule, qui porte cette préférence. Établi

La matrice qui contient la faille

Restait à loger cette brisure dans la théorie. En 1973, Makoto Kobayashi et Toshihide Maskawa remarquent qu’avec deux familles de quarks — tout ce qu’on connaissait alors — c’est mathématiquement impossible : toutes les phases complexes de la théorie peuvent être absorbées par des redéfinitions. Mais avec trois familles, une phase résiste. Une seule. Irréductible. La matrice CKM, qui relie les quarks tels que la masse les définit aux quarks tels que l’interaction faible les voit, contient alors un angle complexe δ que rien ne peut effacer — et cet angle est une violation de CP. Établi

Le culot de la prédiction mérite d’être savouré : pour expliquer un effet minuscule observé dans les kaons, Kobayashi et Maskawa postulent l’existence de quatre quarks encore jamais vus. Le charm est découvert en 1974, le bottom en 1977, le top en 1995. La phase δ est aujourd’hui mesurée dans les usines à mésons B. Prix Nobel 2008. Établi

Le nombre qui mesure la brisure

Combien la nature viole-t-elle CP ? La question est plus subtile qu’il n’y paraît, car la valeur de δ dépend de conventions d’écriture. En 1985, Cecilia Jarlskog construit la quantité qui n’en dépend pas : un invariant, noté J, combinaison de quatre éléments de la matrice CKM, qui vaut zéro si et seulement si CP est respectée. Sa valeur mesurée : J ≈ 3 × 10⁻⁵. Petit, mais franchement non nul. Si J valait zéro, quarks et antiquarks se seraient annihilés jusqu’au dernier, et cet article n’aurait ni auteur ni lecteur. Établi

Le compte — et le facteur un milliard

Tout semble donc en place : les trois conditions de Sakharov sont satisfaites dans le Modèle Standard, mécanisme compris, phase mesurée. On peut alors faire le calcul de bout en bout — c’est le travail mené au milieu des années 1990, notamment par l’équipe de Belén Gavela et, indépendamment, par Patrick Huet et Eric Sather. L’asymétrie que le Modèle Standard sait produire dépend de J, des écarts de masse entre quarks, et de la température de la transition électrofaible. Le résultat tombe autour de 10⁻¹⁹, quand l’observation exige 6 × 10⁻¹⁰. Établi

Lisez bien ces deux exposants. Le mécanisme est le bon — c’est le seul cas connu où la nature nous a livré, vérifiée pièce par pièce, la machine exacte capable de produire l’effet recherché. Et la machine tourne un milliard de fois trop lentement. Le déficit ne vient pas d’une incertitude de mesure qu’un progrès expérimental résorberait : il est structurel. La phase de Kobayashi-Maskawa est trop diluée par les petites masses des quarks légers, et la transition électrofaible, pour un boson de Higgs à 125 GeV, est un passage trop doux pour figer quoi que ce soit. Établi

Ce qu’un échec exact démontre

Ce carnet aime les résultats négatifs, et celui-ci est peut-être le plus beau du genre : un déficit d’un facteur 10⁹ n’est pas un embarras, c’est un théorème d’existence. Puisque nous existons, il existe une source de violation de CP au-delà du Modèle Standard. On ne sait pas laquelle. Les candidats abondent : une phase analogue dans le secteur des neutrinos, qui transmuterait une asymétrie de leptons en asymétrie de baryons — c’est la leptogénèse ; une transition électrofaible rendue brutale par une physique nouvelle ; des mécanismes à plus haute énergie encore. Débattu

Chaque piste laisse des empreintes cherchables : les expériences sur l’oscillation des neutrinos traquent la phase δ du secteur leptonique, et la mesure des moments dipolaires électriques — celui du neutron, celui de l’électron — sonde directement les sources nouvelles de violation de CP, avec une précision qui élimine déjà des pans entiers de théories. Pour l’instant, toutes reviennent avec le même verdict : rien. Le surplus qui nous a faits garde son origine pour lui. Débattu

Où en est-on ? Le déficit lui-même fait consensus depuis trente ans : la violation de CP du Modèle Standard, calculée dans les années 1990, est environ un milliard de fois trop faible pour rendre compte de la matière observée — c’est l’un des arguments les plus solides en faveur d’une physique au-delà du Modèle Standard. En revanche, aucun des mécanismes de remplacement — leptogénèse en tête — n’a reçu à ce jour la moindre confirmation expérimentale. Le statut du surplus d’un quark par milliard est donc singulier : la question est établie, toutes les réponses sont débattues.