C'est une question qui hante l'humanité depuis des millénaires, et voilà que deux chercheurs de l'Université de Southampton et de l'Indian Institute of Technology Kanpur proposent une réponse impliquant une particule que les physiciens ont poliment ignorée pendant des décennies : un neutrino lourd « découplé ». La théorie, publiée dans Physical Review Letters, suggère que ce cousin négligé du neutrino pourrait avoir été le facteur décisif expliquant pourquoi la matière a survécu au Big Bang alors que l'antimatière, elle, n'a pas eu cette chance.

Le problème est simple, quoique existentiellement alarmant : l'univers primitif produisait de la matière et de l'antimatière en quantités presque égales. Quand les deux se rencontrent, elles s'annihilent mutuellement dans une explosion d'énergie. Si les quantités avaient été parfaitement équilibrées, pratiquement toute la matière aurait disparu, ne laissant ni étoiles, ni planètes, et – surtout – personne pour méditer sur l'absence d'étoiles et de planètes.

Entre en scène le neutrino lourd découplé, un cousin hypothétique plus massif du neutrino ordinaire – une particule déjà célèbre pour être extrêmement légère et interagir rarement avec la matière ordinaire. La variété « découplée » a généralement été considérée comme trop faiblement connectée aux autres particules pour influencer quoi que ce soit d'important. Pendant des décennies, elle a été l'équivalent en physique des particules d'un figurant de fond.

Mais selon les nouveaux calculs, sa durée de vie exceptionnellement longue change la donne. La particule pourrait avoir survécu assez longtemps pour dominer temporairement la densité d'énergie de l'univers tandis que le cosmos refroidissait après le Big Bang, déclenchant une période dominée par la matière qui a modifié l'évolution de l'univers primitif.

Le Dr Rishav Roshan, de l'Université de Southampton, auteur de l'étude, l'a dit sans détour : « Ce neutrino lourd découplé a longtemps été écarté comme un détail de fond sans importance en physique des particules. Cependant, il se désintègre incroyablement lentement. Tandis que le cosmos refroidissait après le Big Bang, la particule a vécu assez longtemps pour prendre temporairement le dessus sur la densité d'énergie de l'univers et déclencher une période dominée par la matière. »

Les tentatives précédentes pour expliquer l'asymétrie matière-antimatière laissaient généralement cette particule de côté, pour des raisons apparemment raisonnables : quelque chose qui interagit si faiblement pouvait difficilement influencer les processus responsables de la création du déséquilibre. La nouvelle recherche remet en cause cette hypothèse, constatant que même une particule aux interactions extrêmement faibles pourrait affecter indirectement les conditions dans lesquelles la matière a acquis son avantage crucial.

« Le fait que nous soyons là du tout prouve qu'une asymétrie entre matière et antimatière s'est produite », a ajouté Roshan. « Le neutrino découplé a décalé la température de l'univers primitif à laquelle les particules fondamentales – comme les électrons et autres leptons – interagissaient avec leurs antiparticules grâce au boson de Higgs du Modèle standard. Cette température agit comme un interrupteur qui façonne la façon dont le déséquilibre matière-antimatière s'est construit. »

Le boson de Higgs, pour ceux qui suivent, est la particule fondamentale associée au mécanisme qui donne leur masse à de nombreuses particules élémentaires. Dans le scénario des chercheurs, le neutrino lourd a modifié les conditions de température régissant les interactions clés des particules impliquant le Higgs, décalant effectivement le moment de ces interactions et influençant le développement du déséquilibre. En d'autres termes, quelque chose longtemps considéré comme insignifiant pourrait avoir contribué à déterminer pourquoi l'univers contient de la matière tout court.

La théorie a également des implications sur la façon dont l'univers s'est étendu dans ses tout premiers instants. Le co-auteur de l'étude, le Dr Sudipta Show de l'Indian Institute of Technology Kanpur, a déclaré que les résultats suggèrent que la particule oubliée pourrait avoir considérablement modifié l'histoire de l'expansion du jeune cosmos. « Cela nous offre une nouvelle explication de la victoire de la matière », a-t-il dit. « Le changement radical dans l'expansion précoce du cosmos laisse des empreintes distinctes mais détectables, par exemple sur les ondes gravitationnelles primordiales. Ces signatures d'ondes gravitationnelles ouvrent de nouvelles voies pour percer les mystères. »