Le problème de l’asymétrie des baryons en physique fait référence au fait qu’il existe un déséquilibre entre la matière baryonique et la matière anti-baryonique dans l’univers visible. Ni le modèle standard de la physique des particules ni la théorie de la relativité générale n’expliquent pourquoi il en est ainsi, et l’hypothèse naturelle est que l’univers est neutre et que toutes les charges sont conservées. Le Big Bang aurait dû produire des quantités égales de matière et d’antimatière. Comme cela ne semble pas être le cas, il est probable que certaines lois de la physique ont agi différemment sur la matière et l’antimatière. Il existe plusieurs hypothèses pour expliquer le déséquilibre entre matière et antimatière qui résulte de la baryogénèse, mais il n’existe pas de théorie générale pour expliquer ce phénomène.
Explications possibles
La plupart des explications impliquent que le modèle standard de la physique des particules permet à certaines réactions (impliquant notamment la force nucléaire faible) de se dérouler plus facilement que leur contraire. C’est ce qu’on appelle la « violation CP » de la symétrie dans les interactions faibles. Cette violation pourrait permettre à la matière d’être produite plus que l’antimatière dans les conditions qui ont suivi le Big Bang. Cependant, il n’existe pas encore de consensus théorique sur la question, ni de preuve expérimentale d’un déséquilibre entre les taux de création de la matière et de l’antimatière.
Une autre explication possible de l’apparente asymétrie baryonique est qu’il existe des régions de l’univers où la matière est dominante, et d’autres régions de l’univers où l’antimatière est dominante, et que ces régions sont très éloignées les unes des autres. Par conséquent, la question devient un problème de séparation de la matière et de l’antimatière, plutôt qu’un problème de déséquilibre dans la création. Les atomes d’antimatière ne seraient pas distingués, à grande distance, des atomes de matière, puisqu’ils produiraient tous deux des photons en quantités égales. Ce n’est qu’à la frontière entre une région où la matière domine et une région où l’antimatière domine que la présence d’antimatière serait détectable, car ce n’est qu’à cet endroit qu’il y aurait une annihilation de la matière et de l’antimatière (avec une production subséquente de rayonnement gamma). La facilité de détection dépend de la distance à laquelle les densités de matière et d’antimatière se rejoignent. On suppose qu’une telle frontière se situe dans l’espace intergalactique profond et que la densité de matière dans l’espace intergalactique est raisonnablement fixée à un atome par mètre cube. En supposant qu’il s’agit de la densité typique de matière et d’antimatière près d’une frontière, la luminosité des rayons gamma de l’interaction à la frontière peut être facilement calculée. Une trentaine d’années de recherche scientifique ont permis de limiter la distance minimale à laquelle la zone d’interaction devrait se trouver par rapport à une telle frontière, car aucune zone de ce type n’a été détectée. En conséquence, il est considéré comme très improbable qu’une région de l’univers observable soit dominée par l’antimatière.
Au moins une étude scientifique majeure, appelée Spectromètre magnétique Alpha, est prévue pour améliorer, entre autres, notre capacité à détecter les régions dominées par l’antimatière.
Une autre possibilité est que les régions dominées par l’antimatière existent dans l’univers, mais qu’elles ne se trouvent pas dans l’univers observable. Les modèles d’inflation cosmique suggèrent qu’il pourrait y avoir plus d’un univers visible depuis la Terre, parce que l’univers n’est pas assez vieux pour que la lumière provenant de parties éloignées nous parvienne aujourd’hui. Si c’est le cas, les régions et le rayonnement de la frontière entre la matière et l’antimatière seraient « en route » vers la Terre, et il n’est donc pas encore possible de les observer.
Une autre possibilité est que l’antimatière repousse la matière ordinaire au lieu d’être gravitationnellement attirée par elle. Cela empêcherait les interactions observables. Cependant, cette idée est en contradiction avec la relativité générale. Les équations du champ d’Einstein stipulent que le tenseur énergie-impulsion est à la source du champ gravitationnel, ce qui implique que la gravité est attractive pour l’antimatière. Ainsi, aucune observation astronomique ne suggère l’existence d’une force gravitationnelle répulsive entre deux galaxies ou amas de galaxies, autre que celle causée par l’accélération de l’expansion de l’univers. La plupart des scientifiques pensent que la matière et l’antimatière s’attirent mutuellement par la gravitation.
La présence d’un moment dipolaire électrique (MDE) dans une particule fondamentale violerait à la fois la symétrie de parité (P) et la symétrie temporelle (T). Un MDE permettrait à la matière et à l’antimatière de se désintégrer à des rythmes différents, ce qui pourrait entraîner une asymétrie entre les deux, comme on l’observe aujourd’hui. Plusieurs expériences sont actuellement menées pour mesurer la MDE de diverses particules physiques. Toutes les mesures sont incompatibles avec l’existence d’un moment dipolaire électrique. Toutefois, les résultats présentent de sérieuses limitations quant à la quantité de violations symétriques qu’un modèle physique peut autoriser. La mesure la plus récente de l’EDM a été publiée en 2011. Le groupe de l’Imperial College London a mesuré l’EDM d’un électron en utilisant des faisceaux pulsés de molécules de monofluorure d’ytterbium (YbF). Leurs résultats ont été publiés dans la revue scientifique Nature .