Un problème invisible : de quoi sont constitués 96% de l’Univers ?

Les différentes observations cosmologiques et astrophysiques ont montré que l’ensemble de la matière visible ne constitue que 4 % de l’Univers. La chasse aux particules ou aux phénomènes responsables de la matière noire (23 %) et de l’énergie sombre (73 %) est ouverte. Une théorie très en vogue postule que la matière noire est constituée de particules neutres supersymétriques, qui sont encore à découvrir.

Le premier indice de l’existence de la matière noire est apparu en 1933, lorsque des observations astronomiques et des calculs d’effets gravitationnels ont révélé qu’il devait y avoir plus de « choses » dans l’Univers que celles que nous pouvions voir. Aujourd’hui, les scientifiques estiment que l’effet gravitationnel de la matière noire fait tourner les galaxies plus vite que ne le prévoit le calcul de leur masse apparente, et que son champ gravitationnel dévie la lumière des objets qui sont derrière. Les mesures de ces effets montrent l’existence de la matière noire, et peuvent être utilisées pour estimer sa densité, même si nous ne pouvons pas l’observer directement.

L’énergie sombre est une forme d’énergie qui semble associée au vide de l’espace, et constitue environ 70 % de l’Univers. Elle est distribuée de façon homogène à travers l’espace et le temps. En d’autres termes, son effet n’est pas « dilué » à mesure que l’Univers s’étend. Cette répartition inégale signifie que l’énergie sombre n’a pas d’effet gravitationnel local, mais plutôt un effet global sur l’Univers entier. Il en résulte une force répulsive qui tend à accélérer l’expansion de l’Univers. Le taux d’expansion et son accélération peuvent être mesurés par des expériences qui utilisent la loi de Hubble. Ces mesures, complétées d’autres données scientifiques, confirment l’existence de l’énergie sombre et ont été utilisées pour estimer sa quantité.

Le LHC va révolutionner notre compréhension du monde, de l’infiniment petit, à l'intérieur des atomes, à l’infiniment grand de l’Univers. L’exploration de la nature de la matière noire et de l’énergie sombre est l’un des plus grands défis de la physique des particules et de la cosmologie d’aujourd’hui. Les expériences ATLAS et CMS chercheront des particules super symétriques afin de tester une hypothèse plausible sur la nature de la matière noire.

Matière et antimatière

Le LHC contribuera également à élucider le mytère de l’antimatière. Lors du Big Bang, matière et antimatière ont vraisemblablement été produites en quantités égales, mais d’après ce que nous avons pu observer jusqu’à présent, notre Univers n’est constitué que de matière. Pourquoi ? Le LHC pourrait apporter la réponse à cette question. On croyait auparavant que l’antimatière était le « reflet » parfait de la matière, c’est-à-dire qu’en remplaçant la matière par l’antimatière et en observant le résultat comme à travers un miroir, il serait impossible de faire la différence. Nous savons maintenant que le reflet est imparfait, ce qui a pu entraîner le déséquilibre entre matière et antimatière dans notre Univers et que la quantité d’antimatière est limitée. La théorie la plus en vogue aujourd'hui raconte qu'au début des temps, il y avait presque la même quantité de matière et d'antimatière dans l'univers, mais pas exactement puisque la matière aurait été très légèrement en excès. Or à chaque fois qu'une particule et son antiparticule se touchent, elles sont désintégrées en photons, particules de lumière. Ainsi, toute la matière et l'antimatière se seraient désintégrées en se rencontrant, seul le léger surplus de matière subsistant pour donner le monde que nous connaissons. Une quantité extrêmement faible d'antimatière n'aurait pas été détruite à ce moment-là. Mais d'où provient ce léger déséquilibre primitif entre la matière et l'antimatière ? C'est là que le LHC entre en jeu.
L’expérience LHC cherchera les différences entre matière et antimatière et contribuera à répondre à cette question : Pourquoi la Nature semble-t-elle avoir une préférence pour la matière au détriment de l’antimatière ?

Retour au Big Bang

La densité d’énergie et la température produites lors des collisions dans le LHC recréent des conditions similaires à celles qui existaient quelques instants après le Big Bang. Ainsi, les physiciens espèrent découvrir les secrets de l’évolution de l’Univers.
Selon les théories actuelles, l’Univers, créé par le Big Bang, a connu une phase durant laquelle la matière existante formait une sorte de soupe extrêmement chaude et dense, le plasma quark- gluon, composée des constituants élémentaires de la matière. Lorsque l’Univers s’est refroidi, les quarks ont été emprisonnés sous forme de particules composites telles que les protons et les neutrons. Ce phénomène est connu sous le nom de confinement des quarks.
Le LHC est capable de recréer le plasma quark-gluon en accélérant et en faisant entrer en collision deux faisceaux d’ions lourds. Lors de ces collisions, la température est plus de 100 000 fois supérieure à celle du centre du Soleil. Dans ces conditions, les quarks sont à nouveau libérés et les détecteurs peuvent alors observer et étudier la « soupe primordiale », explorant ainsi les propriétés fondamentales des particules et la manière dont elles s’agglomèrent pour former la matière ordinaire.