Le modèle standard de la physique des particules a été le moyen prédominant d'expliquer quels sont les éléments de base de la matière et comment ils interagissent depuis des décennies. Proposé pour la première fois dans les années 1970, le modèle prétend que pour chaque particule créée, il existe un anti-particule. En tant que tel, un mystère durable posé par ce modèle est la raison pour laquelle l'Univers peut exister s'il est théoriquement composé de parties égales de matière et d'antimatière.
Cette disparité apparente, connue sous le nom de violation de la parité de charge (CP), fait l'objet d'expériences depuis de nombreuses années. Mais jusqu'à présent, aucune démonstration définitive n'a été faite pour cette violation, ou combien de matière peut exister dans l'Univers sans son homologue. Mais grâce aux nouvelles découvertes publiées par la collaboration internationale Tokai-to-Kamioka (T2K), nous pouvons être un peu plus près de comprendre pourquoi cette disparité existe.
Observée pour la première fois en 1964, la violation de CP propose que, dans certaines conditions, les lois de symétrie de charge et de symétrie de parité (aka. CP-symétrie) ne s'appliquent pas. Ces lois stipulent que la physique régissant une particule devrait être la même si elle était échangée avec son antiparticule, tandis que ses coordonnées spatiales seraient inversées. De cette observation, l'un des plus grands mystères cosmologiques a émergé.
Si les lois régissant la matière et l'antimatière sont les mêmes, alors pourquoi l'univers est-il si dominé par la matière? Alternativement, si la matière et l'antimatière sont fondamentalement différentes, comment cela s'accorde-t-il avec nos notions de symétrie? Répondre à ces questions n'est pas seulement important en ce qui concerne nos théories cosmologiques prédominantes, elles sont également intrinsèques à la compréhension du fonctionnement des interactions faibles qui régissent les particules.
Créée en juin 2011, la collaboration internationale T2K est la première expérience au monde dédiée à répondre à ce mystère en étudiant les oscillations des neutrinos et anti-neutrinos. L'expérience commence par la génération de faisceaux de neutrinos à muons (ou anti-neutrinos à muons) à haute intensité au Complexe de recherche sur l'accélérateur de protons du Japon (J-PARC), qui sont ensuite tirés vers le détecteur Super-Kamiokande à 295 km.
Ce détecteur est actuellement l'un des plus grands et des plus sophistiqués au monde, dédié à la détection et à l'étude des neutrinos solaires et atmosphériques. Lorsque les neutrinos voyagent entre les deux installations, ils changent de «saveur» - passant des neutrinos muons ou anti-neutrinos aux neutrinos électroniques ou anti-neutrinos. En surveillant ces faisceaux de neutrinos et d'anti-neutrinos, l'expérience surveille différents taux d'oscillation.
Cette différence d'oscillation montrerait qu'il existe un déséquilibre entre les particules et les antiparticules, et fournirait ainsi la première preuve définitive de violation de CP pour la première fois. Cela indiquerait également qu'il y a de la physique au-delà du modèle standard que les scientifiques doivent encore sonder. En avril dernier, le premier ensemble de données produit par T2K a été publié, ce qui a fourni des résultats révélateurs.
Comme Mark Hartz, un collaborateur de T2K et professeur adjoint de projet Kavli IPMU, l'a déclaré dans un récent communiqué de presse:
"Bien que les ensembles de données soient encore trop petits pour faire une déclaration concluante, nous avons constaté une faible préférence pour les violations importantes de CP et nous sommes ravis de continuer à collecter des données et à effectuer une recherche plus sensible de violation de CP."
Ces résultats, récemment publiés dans le Lettres d'examen physique, inclure toutes les séries de données entre janvier 2010 et mai 2016. Au total, ces données comprenaient 7 482 x 1020 protons (en mode neutrino), qui ont produit 32 événements de neutrino électronique et 135 événements de neutrino muon, et 7,471 × 1020 des protons (en mode antineutrino), qui ont produit 4 événements anti-neutrinos électroniques et 66 neutrinos muoniques.
En d'autres termes, le premier lot de données a fourni des preuves de violation de CP et avec un intervalle de confiance de 90%. Mais ce n'est que le début, et l'expérience devrait durer encore dix ans avant de se terminer. "Si nous sommes chanceux et que l'effet de violation de CP est important, nous pouvons nous attendre à 3 preuves sigma, soit un niveau de confiance d'environ 99,7%, pour une violation de CP d'ici 2026", a déclaré Hartz.
Si l’expérience s’avère fructueuse, les physiciens pourraient enfin être en mesure de dire comment il se fait que le premier Univers ne s’est pas annihilé. Il est également probable que cela révèle des aspects de l'Univers que les physiciens des particules sont impatients de découvrir! Car c'est ici que les réponses aux secrets les plus profonds de l'Univers, comme la façon dont toutes ses forces fondamentales s'emboîtent, sont susceptibles d'être trouvées.
