Écrite pour répondre à une question : Pourquoi l'Univers contient-il de la matière et presque pas d'antimatière, que sait-on de la taille de ce déséquilibre, et qu'est-ce qui pourrait l'avoir créé ?
1. Le constat : un Univers fait de matière
Le seul endroit où l'on peut chercher directement l'antimatière, c'est le Système solaire, et il n'en contient aucune quantité notable Canetti 2012. Les rayons cosmiques apportent des positrons et des antiprotons. Mais ces particules légères naissent facilement dans des collisions ordinaires, et l'on en attend même dans un univers fait entièrement de matière Canetti 2012. Aucun antinoyau plus lourd n'a été confirmé (section 7). Dans le milieu interstellaire, un antinoyau serait annihilé en 300 ans environ, ce qui limite la fraction d'antimatière diffuse à moins de 10⁻¹⁵ Canetti 2012.
Plus loin, on cherche les rayons gamma que produirait l'annihilation. Dans 55 amas de galaxies, la fraction d'antimatière est inférieure à des valeurs comprises entre 5 × 10⁻⁹ et 10⁻⁶ ; dans l'amas du Boulet, à 3 × 10⁻⁶ Canetti 2012. Reste l'idée d'une mosaïque de grands domaines de matière et d'antimatière. Cohen, De Rújula et Glashow ont montré qu'après la recombinaison, l'annihilation aux frontières entre domaines est inévitable. Le fond gamma diffus qu'elle produirait dépasse les limites observées, « à moins que le domaine de matière que nous habitons ne soit pratiquement tout l'Univers visible ». Leur conclusion : un univers symétrique en matière et antimatière est « empiriquement exclu » Cohen 1998. Ici « matière » veut dire baryons ; la matière noire est une autre question (energie-matiere-noires) Canetti 2012.
2. La taille du déséquilibre : un rapport mesuré deux fois
Aujourd'hui, l'asymétrie est totale : il n'y a plus d'antibaryons. Ce qui la mesure, c'est le nombre de baryons par photon, η. Les photons sont en grande partie les produits de l'annihilation d'autrefois Canetti 2012. Deux mesures indépendantes de η existent, par les abondances des éléments légers et par le spectre du fond diffus. Elles donnent toutes deux η ~ 10⁻¹⁰ Canetti 2012. La valeur de Planck est η = (6,104 ± 0,058) × 10⁻¹⁰ Fields 2020 ; le deutérium, « baryomètre » de l'Univers, donne la même Fields 2020 (voir nucleosynthese-primordiale, section 5, et fond-diffus-cosmologique).
Un déséquilibre total aujourd'hui correspond donc à un déséquilibre minuscule autrefois : « l'énorme asymétrie d'aujourd'hui était en fait un nombre minuscule dans le passé » Canetti 2012. Au-dessus de 1 GeV (environ 10¹³ K), baryons et antibaryons étaient à peu près aussi nombreux que les photons. L'excès relatif (n_b − n_b̄)/n_b y était d'environ 10⁻⁸ selon Aoki, qui compte en entropie Aoki 1997 ; Canetti et al. l'écrivent de l'ordre de η, soit 10⁻¹⁰ Canetti 2012. L'ordre de grandeur varie selon qu'on rapporte l'excès aux photons ou à l'ensemble des particules d'alors. Mais le fait est le même : on parle d'une particule en trop pour quelques centaines de millions à quelques milliards de paires.
3. Pourquoi il faut l'expliquer : la « catastrophe de l'annihilation »
Si l'Univers avait été exactement symétrique, baryons et antibaryons se seraient annihilés en suivant l'équilibre jusqu'à environ 20 MeV. À cette température, les annihilations « gèlent ». Il n'en resterait qu'environ 10⁻¹⁹ baryon par unité d'entropie, contre 10⁻¹⁰ observés Aoki 1997 : neuf ordres de grandeur trop peu. Le cosmos serait un bain de lumière presque sans atomes.
Deux échappatoires sont fermées. Les fluctuations statistiques d'abord : dans le volume qui deviendra notre galaxie, 10⁷⁹ baryons et antibaryons donnent une fluctuation relative d'environ 10⁻³⁹·⁵, beaucoup trop faible Aoki 1997. La séparation spatiale ensuite : pour échapper à l'annihilation, matière et antimatière auraient dû être séparées avant 38 MeV. Or la région causalement reliée ne contenait alors qu'environ 10⁻⁷ masse solaire, et rien ne peut séparer des masses de galaxies Aoki 1997. Il faut donc qu'un processus physique ait fabriqué l'excès : c'est la baryogenèse.
L'inflation, si elle a eu lieu (seuil-et-inflation), renforce cette conclusion. Toute asymétrie préexistante aurait été diluée jusqu'à devenir négligeable, si bien que la baryogenèse doit avoir eu lieu pendant le réchauffement qui suit l'inflation ou pendant l'ère du rayonnement Canetti 2012. On ne peut donc pas se contenter de dire que « l'Univers est né comme ça ».
4. Les trois conditions de Sakharov
En 1967, Andreï Sakharov formule trois conditions nécessaires Sakharov 1967 Canetti 2012 :
- La violation du nombre baryonique. Sans elle, un univers parti de B = 0 ne peut pas arriver à B ≠ 0.
- La violation de C et de CP. Si ces symétries tenaient, chaque processus favorisant la matière aurait un processus miroir, de même probabilité, favorisant l'antimatière.
- Un écart à l'équilibre thermique. À l'équilibre, rien ne change en moyenne, donc B reste constant Canetti 2012.
Ces conditions se démontrent en mécanique quantique et en physique statistique Canetti 2012. Elles ne disent pas comment l'excès s'est formé, seulement ce qu'il faut réunir. La découverte des violations de P puis de CP dans la nature a suggéré que l'asymétrie avait pu être créée dynamiquement, à partir d'un état symétrique Canetti 2012.
5. Pourquoi le modèle standard ne suffit pas
En principe, le modèle standard remplit les trois conditions. Le nombre baryonique y est violé par les « sphalérons », des transitions possibles à haute température. CP est violée par l'interaction faible. L'expansion fournit l'écart à l'équilibre Canetti 2012. Aux basses températures, ces transitions sont supprimées d'un facteur ~10⁻¹⁶⁰, ce qui explique que le proton ne se désintègre pas aujourd'hui. Au-dessus d'une température située entre 100 et 300 GeV, elles sont efficaces Canetti 2012.
Mais les deux ingrédients restants sont trop faibles Canetti 2012 Aoki 1997 :
- La violation CP. Mesurée par le déterminant de Jarlskog, elle donne une grandeur sans dimension d'environ 10⁻²⁰, très inférieure aux 10⁻¹⁰ à expliquer. Ce n'est pas une preuve d'impossibilité, mais cela rend l'affaire « très difficile » Canetti 2012. Le CERN résume : la violation CP du modèle standard est « trop petite de nombreux ordres de grandeur » cern2025lhcb.
- L'écart à l'équilibre. Il aurait fallu une transition électrofaible brutale, « du premier ordre », avec des bulles de phase nouvelle. Elle n'est possible que si le boson de Higgs pèse moins de 72 GeV. Or il pèse environ 126 GeV Canetti 2012. La transition est donc douce, et les sphalérons effacent l'asymétrie qui se forme.
Conclusion de Canetti et al. : il est « extrêmement improbable » que l'asymétrie puisse être produite dans le cadre du modèle standard Canetti 2012. La baryogenèse est, avec les oscillations des neutrinos et la matière noire, l'un des trois indices expérimentaux d'une physique au-delà du modèle standard Canetti 2012. Pour l'époque de la transition électrofaible, voir frise-cosmique (section 3).
6. Les pistes
Depuis Sakharov, on a proposé « un nombre énorme de modèles » Canetti 2012. Trois familles dominent.
La grande unification. C'est le premier scénario historique. Des bosons très lourds s'y désintègrent hors équilibre en violant le nombre baryonique Aoki 1997. Ses difficultés : des monopôles magnétiques en excès, et un effacement de l'asymétrie par les sphalérons Aoki 1997. Et l'inflation dilue tout ce qui se forme avant elle (section 3).
La baryogenèse électrofaible étendue. On ajoute au modèle standard de nouvelles sources de violation CP et de quoi rendre la transition brutale. C'est attractif parce que testable dans les accélérateurs actuels Aoki 1997. Mais cela suppose des particules nouvelles que le LHC n'a pas vues ; ce point n'est pas documenté ici.
La leptogenèse. En 1986, Fukugita et Yanagida proposent un mécanisme sans grande unification. Un excès de leptons, né des désintégrations de neutrinos lourds (dits « de Majorana »), serait converti en excès de baryons par les sphalérons Fukugita 1986 Davidson 2008. L'intérêt : les mêmes neutrinos lourds expliqueraient, par le mécanisme dit « de bascule », pourquoi les neutrinos connus sont si légers Canetti 2012. Dans la version classique, ces neutrinos lourds sont bien au-delà de l'échelle électrofaible, hors de portée directe Canetti 2012. Des variantes à plus basse masse existent, comme le νMSM, qui ajoute trois neutrinos « stériles » pour expliquer d'un coup oscillations, matière noire et asymétrie ; leurs neutrinos de quelques GeV seraient accessibles aux expériences Canetti 2012.
Les auteurs de la revue de 2012 le reconnaissent : la plupart de ces modèles sont « difficiles à falsifier ». Ils peuvent survivre même sans aucun signal, en repoussant leur échelle d'énergie. Seuls trois scénarios sont testables au sens strict : la baryogenèse électrofaible, la leptogenèse résonante et la baryogenèse par oscillations de neutrinos stériles Canetti 2012.
7. Ce qui est récent
Violation CP dans les baryons (LHCb, 2025). La violation CP était connue dans les mésons depuis 1964. Elle n'avait jamais été vue dans les baryons, la sorte de matière dont est fait l'Univers visible Lhcb 2025. LHCb l'observe dans les désintégrations du baryon beau Λb : l'asymétrie entre Λb et anti-Λb vaut 2,45 % ± 0,47 %, soit 5,2 écarts-types cern2025lhcb. C'est une pièce du puzzle, pas sa solution : l'effet est dans le cadre du modèle standard, dont la violation CP reste trop faible de nombreux ordres de grandeur cern2025lhcb.
Violation CP chez les neutrinos (T2K et NOvA, 2025). C'est la piste qui compte pour la leptogenèse. La première analyse conjointe des deux expériences exclut, à 3σ, les valeurs conservant CP (δCP = 0 et π), mais seulement si l'ordre des masses des neutrinos est « inversé ». Elle fournit donc un indice de violation CP chez les leptons, sous cette hypothèse t2knova2025. Avec l'ordre « normal », la question reste ouverte. Même une violation CP mesurée chez les neutrinos légers ne prouverait pas la leptogenèse, qui dépend des phases des neutrinos lourds (raisonnement, non sourcé ici).
L'électron est rond (JILA, 2023). Une violation CP nouvelle donnerait à l'électron un moment dipolaire électrique. L'expérience de JILA n'en trouve pas, avec une précision 2,4 fois meilleure qu'auparavant nist2023edm. Cela resserre l'étau sur les extensions du modèle standard qui promettaient une baryogenèse électrofaible.
L'antihélium d'AMS-02. Le spectromètre installé sur la Station spatiale a présenté quelques candidats noyaux d'antihélium, une détection « provisoire » Bykov 2023. S'ils étaient confirmés, ils seraient difficiles à produire par des collisions ordinaires. Certains y voient la trace d'anti-étoiles, compatibles avec les limites gamma, prévues par des modèles de baryogenèse modifiés Bykov 2023. Ces candidats ne sont pas publiés comme une détection établie.
8. La frontière du connu
La revue du PDG sur la nucléosynthèse le dit sans détour : faute de « modèles standard » pour la baryogenèse et l'inflation, la nucléosynthèse marque la frontière entre l'établi et le spéculatif fields2014pdg. Cette fiche se tient donc au bord de cette frontière. Ce qu'on sait est solide : l'asymétrie existe, sa taille est mesurée à 1 % près, et le modèle standard ne l'explique pas. Ce qui l'a produite, quand et comment reste inconnu. Le résultat de la baryogenèse, lui, est ce que la nucléosynthèse reçoit en entrée : le seul paramètre libre η (nucleosynthese-primordiale).
Ce que le livre peut en tirer
Pour le récit. L'image forte est l'annihilation. Au-dessus de 10¹³ K, particules et antiparticules naissent et meurent par paires, aussi nombreuses que les grains de lumière. Pour chaque paire, de l'ordre d'un milliard, il y a une particule en trop. Quand l'Univers se refroidit, tout le reste s'annihile en lumière. Nous sommes faits de ce reliquat, et la lumière du fond diffus est en grande partie la cendre de cette annihilation : environ un milliard et demi de photons par baryon (1/η). Sans ce minuscule excès, le calcul ne laisse qu'un baryon pour 10¹⁹ : un univers de lumière, sans étoiles ni chimie.
Pour l'essai. (1) Le constat est établi : pas d'antimatière, même sous forme de galaxies lointaines (Cohen–De Rújula–Glashow). (2) La taille est mesurée deux fois : η ≈ 6,1 × 10⁻¹⁰. (3) Sakharov donne le cahier des charges en trois conditions, un bel exemple de raisonnement par contraintes. (4) Le modèle standard contient chaque ingrédient, mais en quantité insuffisante : c'est un indice de physique nouvelle, au même titre que la matière noire et la masse des neutrinos. (5) Les pistes sont nombreuses, et peu d'entre elles sont falsifiables. La leptogenèse est la plus économique, parce qu'elle relie l'asymétrie à la masse des neutrinos.
Contresens à éviter. Ne pas écrire que « le Big Bang a produit autant de matière que d'antimatière, et l'antimatière a disparu » sans dire qu'une asymétrie a dû être fabriquée : l'annihilation symétrique ne laisse presque rien. Ne pas écrire que LHCb (2025) « explique » la matière : l'effet reste dans le modèle standard, trop faible. Ne pas écrire que la violation CP des neutrinos est « découverte » : c'est un indice à 3σ, sous l'hypothèse de l'ordre inversé. Ne pas confondre avec la matière noire. Ne pas présenter l'antihélium d'AMS comme une détection. Ne pas donner de date précise pour la baryogenèse : elle dépend du mécanisme, de la fin de l'inflation à l'époque électrofaible (vers 10⁻¹² s, frise-cosmique). Pour « pourquoi y a-t-il quelque chose plutôt que rien » (avant-et-rien) : la baryogenèse explique pourquoi il reste de la matière, pas pourquoi il y a quelque chose.
À vérifier avant publication. Le texte original de Sakharov (1967) et l'article de Fukugita–Yanagida (1986) n'ont pas été lus ; leurs contenus sont repris de revues. Le résultat ALPHA-g (2023 : l'antihydrogène tombe, précision d'environ 20 % de g) n'est connu que par un résumé de recherche et n'est pas cité. La masse du Higgs aujourd'hui retenue (≈ 125 GeV) n'a pas été lue sur une source ; la revue de 2012 dit 126 GeV. Aucune projection (DUNE, Hyper-Kamiokande) n'a été documentée.
Voisines
- nucleosynthese-primordiale — La baryogenèse fixe le seul paramètre libre de la nucléosynthèse, η. La phrase du PDG sur la frontière établi/spéculatif y est vérifiée (fields2014pdg).
- fond-diffus-cosmologique — Le fond diffus mesure η indépendamment. Ses photons sont en grande partie issus de l'annihilation matière–antimatière.
- seuil-et-inflation — L'inflation dilue toute asymétrie initiale : la baryogenèse doit avoir lieu après, pendant le réchauffement ou l'ère du rayonnement.
- frise-cosmique — Situe l'époque électrofaible (vers 10⁻¹² s) où se jouerait la baryogenèse électrofaible. La frise ne mentionne pas encore l'asymétrie matière–antimatière.
- energie-matiere-noires — Distinguer la matière baryonique (sujet de la baryogenèse) de la matière noire. Certains modèles (νMSM) relient les deux.
- avant-et-rien — « Pourquoi quelque chose plutôt que rien » : la baryogenèse répond à une question plus étroite, pourquoi il reste de la matière. C'est un contresens à signaler.
Sources
canetti2012— Canetti, L., Drewes, M., Shaposhnikov, M. (2012). Matter and Antimatter in the Universe. New Journal of Physics 14, 095012. arXiv:1204.4186 DOI 10.1088/1367-2630/14/9/095012 https://arxiv.org/abs/1204.4186 — « « Thus, today's huge matter-antimatter asymmetry was actually a tiny number in the past. » ; « A first order phase transition could only occur if the Higgs mass were below 72 GeV […] allowing to conclude that it is extremely unlikely that the observed BAU can be generated within the SM. » ; « D/T_sph^12 ∼ 10^−20 ≪ η » »cohen1998— Cohen, A. G., De Rújula, A., Glashow, S. L. (1998). A Matter-Antimatter Universe? Astrophysical Journal 495, 539-549. arXiv:astro-ph/9707087 DOI 10.1086/305328 https://arxiv.org/abs/astro-ph/9707087 — « « The former signal exceeds observational limits unless the matter domain we inhabit is virtually the entire visible universe. On general grounds, we conclude that a matter-antimatter symmetric universe is empirically excluded. » »aoki1997— Aoki, H. (1997). Baryogenesis at the Electroweak Scale and Above. KEK-TH-534, actes de la réunion KEK « CP violation and its origin ». arXiv:hep-ph/9708376 https://arxiv.org/abs/hep-ph/9708376 — « « At T ∼ 20MeV the annihilation processes freeze out. The residual ratio of baryon number density to entropy density is about n_b/s = n_b̄/s ∼ 10^−19, which is too small. In order to avoid this annihilation catastrophe […] » »fields2020— Fields, B. D., Olive, K. A., Yeh, T.-H., Young, C. (2020). Big-Bang Nucleosynthesis after Planck. JCAP 03, 010. arXiv:1912.01132 DOI 10.1088/1475-7516/2020/03/010 https://arxiv.org/abs/1912.01132 — « η = (6,104 ± 0,058) × 10⁻¹⁰ (Planck), repris de la fiche nucleosynthese-primordiale. »fields2014pdg— Fields, B. D., Molaro, P., Sarkar, S. (2014). Big-Bang Nucleosynthesis. Revue du Particle Data Group, Chinese Physics C 38, 090001. arXiv:1412.1408 https://arxiv.org/abs/1412.1408 — « « BBN still marks the boundary between the established and the speculative in Big Bang cosmology. » (repris de la fiche nucleosynthese-primordiale) »sakharov1967— Sakharov, A. D. (1967). Violation of CP Invariance, C Asymmetry, and Baryon Asymmetry of the Universe. JETP Letters 5, 24-27. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1967JETPL...5...24S/abstract — « Les trois conditions (violation de B ; violation de C et CP ; écart à l'équilibre) sont lues dans Canetti et al. (2012), qui les attribuent à Sakharov ; l'article original n'a pas été consulté (ADS et OSTI inaccessibles). » (non vérifié)fukugita1986— Fukugita, M., Yanagida, T. (1986). Baryogenesis without grand unification. Physics Letters B 174, 45-47. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1986PhLB..174...45F/abstract — « « The lepton number excess originating from Majorana mass terms may transform into the number excess through the unsuppressed baryon number violation of electroweak processes at high temperatures. » (résumé vu dans un résultat de recherche, page non lue) » (non vérifié)davidson2008— Davidson, S., Nardi, E., Nir, Y. (2008). Leptogenesis. Physics Reports 466, 105-177. arXiv:0802.2962 DOI 10.1016/j.physrep.2008.06.002 https://arxiv.org/abs/0802.2962 — « « Leptogenesis is a class of scenarios where the baryon asymmetry of the Universe is produced from a lepton asymmetry generated in the decays of a heavy sterile neutrino. » »lhcb2025— LHCb Collaboration (2025). Observation of charge–parity symmetry breaking in baryon decays. Nature 643, 1223-1228. arXiv:2503.16954 DOI 10.1038/s41586-025-09119-3 https://arxiv.org/abs/2503.16954 — « « The Standard Model of particle physics […] predicts that matter and antimatter interact differently due to violation of the combined symmetry of charge conjugation (C) and parity (P). » »cern2025lhcb— CERN (2025). A new piece in the matter–antimatter puzzle. Communiqué, home.cern (annonce du 25 mars 2025, publication Nature du 16 juillet 2025). https://home.cern/new-piece-matter-antimatter-puzzle/ — « « The difference between the numbers of Λb and anti-Λb decays, divided by the sum of the two, differs by 2.45% from zero with an uncertainty of about 0.47%. » ; « The amount of CP violation predicted by the Standard Model is many orders of magnitude too small to account for the matter–antimatter asymmetry observed in the Universe. » »t2knova2025— T2K and NOvA Collaborations (2025). Joint neutrino oscillation analysis from the T2K and NOvA experiments. Nature 646, 818-824. arXiv:2510.19888 DOI 10.1038/s41586-025-09599-3 https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12545204/ — « « In the case of the inverted ordering […] the CP-conserving values of δCP = 0 and π are outside the 3σ credible interval » ; « This analysis, therefore, provides evidence for CP violation in the lepton sector if the inverted ordering is assumed to be true. » »nist2023edm— NIST (2023). Why Does Matter Exist? Roundness of Electrons May Hold Clues. Actualité NIST, juillet 2023 (résultat JILA, Roussy et al., Science 2023). https://www.nist.gov/news-events/news/2023/07/why-does-matter-exist-roundness-electrons-may-hold-clues — « « improving on previous measurements by a factor of 2.4 » ; « Any unevenness would indicate that the electron is not perfectly round, and that would be evidence of an asymmetry in the early universe that led to the existence of matter. » »bykov2023— Bykov, A., Postnov, K., Bondar, A., Blinnikov, S., Dolgov, A. (2023). Antistars as possible sources of antihelium cosmic rays. JCAP (accepté). arXiv:2304.04623 https://arxiv.org/abs/2304.04623 — « « Recent report of the AMS-02 collaboration on the tentative detection of a few antihelium nuclei in GeV cosmic rays […] can be explained by Galactic anti-nova outbursts, thermonuclear anti-SN Ia explosions, a collection of flaring antistars or an extragalactic source with abundances not violating existing gamma-ray and microlensing constraints on the antistar population. » »