Une des grandes énigmes du modèle standard des particules est que nous sommes formés que de particules, ce qu'on appelle l'asymétrie baryonique de l'univers.
1. Que sont dévenues les antiparticules, alors qu'elles devraient représenter 50% de notre univers ?
Soit, on part de l'hypothèse que l’asymétrie découlerait du Big Bang lui-même et donc que l'univers a été plus riche en matière dès le départ (hypothèse la moins retenue).
Soit que ce déséquilibre ait eu lieu plus tard, i.e. l'univers a été symétrique à son origine, ce qui est l'hypothèse la plus retenue.
2. On sait que lorsqu'une particule rencontre son antiparticule, elles s'annihilent pour produire un photon.
Il faut donc qu'il y ait, à un moment, que pour chaque milliard de particules d’antimatière, il y en ait un milliard une de matière. Ainsi, une particule de matière sur un milliard survit.
La baryogenèse, en cosmologie, est le processus hypothétique qui produit l'asymétrie baryonique, i.e. le déséquilibre entre la matière et et l'antimatière dans notre univers.
l'apparition d'une multitudes de particules dites et de leurs antiparticules dites " ordinaires " suite à l'aborption colossale de l'énergie du " faux-vide " par les particules virtuelles.
BigBang et histoire de l'univers
(Figure : Particle Data Group LBNL)
Conditions de la baryogenèse
Les conditions de la baryogenèse, émises par Andrei Sakharov en 1967, sont au nombre de trois.
La désintégration bêta (β) du proton qui est encore hypothétique (demi-vie 1033 ans), mais est possible tout en étant trop rare pour avoir été observée.
$p^+\rightarrow e^++\pi^0$ et $\pi^0\rightarrow 2\gamma\;$, dans laquelle le nombre quantique $B-L$ est conservé.
la violation de la symétrie $\mathcal C$ pour que les réactions qui produisent plus de baryons que d'antibaryons ne soit pas contrebalancées par les réactions inverses (antibaryons$\,\rightarrow\,$baryons) ;
la violation de la symétrie $\mathcal C\mathcal P$ pour ne pas avoir un nombre égal de baryons gauches et d'antibaryons droits (et vice-versa).
La violation de la symétrie $\mathcal C\mathcal P$ pour les quarks a été étudiée par BaBar sur les mésons B formé d'une paire formée d'un quark antibottom ($\bar b$) avec un autre quark down ($B^0$), up ($B^+$), strange ($B^0_s$) ou charm ($B^+_c$) pour montrer cette oscillation des saveurs qui n'est pas suffisante pour expliquer la baryogénèse.
3. Les interactions sur l’équilibre thermique auraient pu intervenir durant l'inflation.
Dans ce scénario, la vitesse d'une réaction qui génère une asymétrie baryonique doit être inférieure à la vitesse d'expansion de l'univers.
Dans cette situation, les particules et les antiparticules correspondantes ne sont pas en équilibre thermique, en raison d'une expansion rapide qui diminue la fréquence de leur annihilation.
Modèles
Point-selle
On déduit les conditions de cette baryogenèse en fonction du rapport entre la densité des photons fossiles par rapport à la densité de matière observés dans l'Univers actuel.
où $N_B$ est la matière baryonique, $N_{\bar B}$ l'antimatière baryonique et $N_\gamma$ la quantité de photons fossiles pour donner un certain excès $\beta_0$ (cf. paramètre de l'asymétrie baryonique).
On peut conclure que cette baryogenèse aurait pu avoir lieu selon les théories :
pendant ou peu après l'ère de grande unificationà environ 10-32 s, à des températures de 1015 GeV, où les force sont encore unifiées (inflation : début de la période électrofaible).
à la période électrofaible, à des températures supérieures à 102 GeV, température de la fin de cette période.
Tout en conservant le nombre quantique hypothétique $B-L$, des baryons pourraient se convertir en antileptons et réciproquement : un quark produirait deux antiquarks et un antilepton ou un antiquark produirait deux quarks et un lepton.
Antigravitation ?
(Figure : vetopsy.fr)
Ce processus annule toute asymétrie baryonique précédente, donc celle survenant aux approches de l'ère d grande unification. Par contre, elle peut créer, par cette brisure de symétrie, lors d'une transition de phase de premier ordre, un excès de baryons.
C'est au moment de l'inflation, période d'expansion violente de l'univers 10-35 seconde après le Big Bang, que cette avantage de la matière aurait été décisif.
On l'appelle BAU : Baryon Asymmetry of the Universe ou asymétrie baryonique.
On parle aussi de baryogenèse pour l'ensemble des procesus physiques qui ont fait pencher la balance au profit des baryons par rapport au anti-baryons.
Remarque : L'expérience Gbar, lancée en 2016, va essayer de savoir si l'antimatière (antihydrogène) tombe sous l'effet de la gravité ou au contraire s'envole pour démontrer le principe d’équivalence d’Einstein et les symétries fondamentales de l’Univers.