Modèle standard des particules
Antiparticules

Les solutions de l'équation de Dirac, équation relativiste, introduisent dans l’équation de Schrödingerl'existence des antiparticules en 1928 (cf. l'antimatière).

Le positron a été découvert en 1932 par Carl David Anderson (1905-1991) - cf. la prédiction de l'antimatière par Dirac -. On parle alors de symétrie d'inversion de charge $\mathcal C$.

Particules-antiparticules

Par convention, les antiparticules sont écrites avec une barre au dessus du symbole de leur particules :

• $e$ ou $e^-$ (électron) et $\overline e$ pour l'antiélectron ou positron, aussi écrit $e^+$ ;
• $n$ (neutron) et $\overline n$ pour l'antineutron ;
• $p$ (proton) et $\overline p$ pour l'antiproton ;
• $\nu_{\displaystyle\mu}$ le neutrino $\mu$ et $\overline\nu_{\displaystyle\mu}$ pour l'antineutrino $\mu$…
• le photon $\gamma$ et le boson faible $Z_0$ sont leurs propres antiparticules.

On distingue souvent entre matière et antimatière, ce qui peut ne pas paraître forcément pertinent.

• Les baryons sont consitués de matière (3 quarks) et les antibaryons d'antimatière (3 antiqarks).
• Un méson est composé des deux (quark et antiquark), donc ?
• Pour les bosons, cette distinction ne repose sur rien.

Les antiparticules sont caractérisées caractérisées par :

• des charges opposées à celles de la particule (charge électrique, hypercharge faible, et autres nombres quantiques...),
• une masse, un spin et une vie moyenne identiques à celles des particules.

Annihilation particules/antiparticules

Lorsqu'une particule rencontre son antiparticule, elles s'annihilent en produisant diverses autres particules.

Soit l'annihilation électron/positron (cf. animation):

• à basse énergie, elle produit deux photons, quelquefois plus ;
• à haute énergie, elle produit des photons ($\gamma$) ou d'autres bosons $W$ ou $Z$ qui produisent des fermions et leurs antiparticules (cf. animation)

Asymétrie baryonique de l'univers

Vue d'ensemble

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.

En effet, la symétrie $\mathcal C\mathcal P\mathcal T$ implique que chaque particule est son antiparticule symétrique du point de vue de la charge, la parité et le temps : $\hat O=\hat C\,\hat P\,\hat T$.

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.
• C’est ce qu’on appelle une brisure de symétrie.

La matière prend le pas sur l’antimatière (cf. article du CNRS).

Baryogenèse

Pendant la période d'inflation, 10^-35 s < t < 10^-32 s après le Big Bang, la transition de phase dans le champ scalaire appelé inflaton, aurait provoqué une brisure de symétrie, en libérant une énergie colossale qui provoque :

• la séparation de l'interaction nucléaire forte de l'interaction électronucléaire ;
• 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.

Conditions de la baryogenèse

Les conditions de la baryogenèse, émises par Andrei Sakharov en 1967, sont au nombre de trois.

1. La violation du nombre baryonique $B$, $+1$ pour les baryons à $-1$ pour les antibaryons, doit être non nul, alors qu'il devrait l'être.

• Elle peut se faire par anomalie chirale (cf. vide et particules).
• 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 théorie de grande unification fait appel à deux bosons hypothétiques, les bosons X et Y, appelés souvent bosons $X$, capables de transformer les bosons et leptons et inversement (Particule X : dans les pas du boson de Higgs).

Le boson $X$, il y en aurait 12 différents avec une charge de couleur, se désintègrerait en :

• $X\;\rightarrow\;u\;+\;u$
• $X\;\rightarrow\;e^+\;+\;\bar d$

Le boson $Y$ se désintègrerait en :

• $Y\;\rightarrow\;d\;+\;u$
• $Y\;\rightarrow\;e^+\;+\;\bar u$
• $Y\;\rightarrow\;\bar d\;+\;\nu_e$

C'est le nombre quantique $B-L$ qui est conservé et on trouve plus de particules que d'antiparticules (cf. plus haut).

2. La violation de la symétrie $\mathcal C$ et symétrie $\mathcal C\mathcal P$ serait retrouvée comme celle de la désintégration des kaons neutres :

• 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

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.

• $\beta_0=\dfrac{(N_B-N_{\bar B})}{N_\gamma}\approx3\times10^{-10}$
• 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 unification à 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.

À ces hautes températures, certains font intervenir un sphaleron, point-selle (saddle point) de l'énergie potentielle de l'interaction électrofaible.

• 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.

• 

  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.

On peut émettre des conditions de leptogenèse, pendant de la baryogenèse pour les leptons (cf Baryogenèse, leptogenèse et violation de CP).

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.

Cette expérience pourrait aussi peut-être expliquer pourquoi l'univers est en expansion.

Fermions