En 1867, Lord Kelvin imaginait les atomes comme des nœuds dans l'éther. L'idée fut bientôt réfutée. Les atomes se sont avérés être tout autre chose. Mais sa vision abandonnée pourrait encore détenir la clé de l’existence de l’univers.
Aujourd'hui, pour la première fois, des physiciens japonais ont montré que des nœuds peuvent apparaître dans un cadre réaliste de physique des particules, qui aborde également des énigmes profondes telles que les masses des neutrinos, la matière noire et le problème du CP fort.
Leurs conclusions, dans Lettres d'examen physiqueproposez-les « noeuds cosmiques » aurait pu se former et brièvement dominer l'univers nouveau-né turbulent, s'effondrant d'une manière qui a favorisé la matière par rapport à l'antimatière et laissant derrière lui un bourdonnement unique dans l'espace-temps que les futurs détecteurs pourraient écouter – une rareté pour un mystère physique notoirement difficile à sonder.
« Cette étude aborde l'un des mystères les plus fondamentaux de la physique : pourquoi notre univers est constitué de matière et non d'antimatière, » a déclaré l'auteur correspondant de l'étude, Muneto Nitta, professeur (nomination spéciale) à l'Institut international pour la durabilité avec la méta-matière chirale nouée de l'Université d'Hiroshima (WPI-SKCM).2) au Japon.
« Cette question est importante car elle touche directement à la raison pour laquelle les étoiles, les galaxies et nous-mêmes existons. »
L'antimatière manquante dans l'univers
Le Big Bang aurait dû produire des quantités égales de matière et d’antimatière, chaque particule détruisant sa jumelle jusqu’à ce qu’il ne reste plus que des radiations. Pourtant, l’univers est majoritairement constitué de matière, avec presque aucune antimatière en vue. Les calculs montrent que tout ce que nous voyons aujourd’hui, des atomes aux galaxies, existe parce qu’une seule particule supplémentaire de matière a survécu pour chaque milliard de paires matière-antimatière.
Le modèle standard de la physique des particules, malgré son extraordinaire succès, ne peut pas expliquer cet écart. Ses prévisions sont inférieures de plusieurs ordres de grandeur. Expliquer l’origine de ce minuscule excès de matière, connu sous le nom de baryogenèse, est l’une des plus grandes énigmes non résolues de la physique.
Nitta et Minoru Eto du WPI-SKCM de l'Université d'Hiroshima2un institut créé pour étudier les phénomènes noués et chiraux à différentes échelles et disciplines, en collaboration avec Yu Hamada du Deutsches Elektronen-Synchrotron en Allemagne, pense avoir trouvé une réponse cachée à la vue de tous.
En combinant une symétrie du nombre de baryons moins le nombre de leptons (BL) avec la symétrie de Peccei – Quinn (PQ), l'équipe a montré que des nœuds pouvaient se former naturellement dans l'univers primitif et générer le surplus observé.
Eto est également professeur à l'Université de Yamagata et les trois chercheurs sont affiliés à l'Université Keio au Japon.
Particules fantômes
Ces deux extensions du modèle standard, étudiées depuis longtemps, comblent certaines de ses lacunes les plus déroutantes. La symétrie PQ résout le problème du CP fort, l'énigme de savoir pourquoi les expériences ne détectent pas le minuscule moment dipolaire électrique que la théorie prédit pour le neutron et, ce faisant, introduit l'axion, l'un des principaux candidats à la matière noire. Pendant ce temps, la symétrie B – L explique pourquoi les neutrinos, des particules fantomatiques qui peuvent traverser des planètes entières sans être remarquées, ont une masse.
Garder la symétrie PQ globale, plutôt que de la jauger, préserve la physique délicate des axions qui résout le problème du CP fort. En physique, « jaugeage » une symétrie signifie le laisser agir librement en tout point de l'espace-temps. Mais cette liberté locale a un prix. Pour préserver la cohérence, la nature doit introduire un nouveau porteur de force pour lisser les équations.
En évaluant la symétrie B – L, les chercheurs ont non seulement garanti la présence de neutrinos lourds droitiers – nécessaires pour que la théorie reste exempte d'anomalies et au centre des principaux modèles de baryogenèse – mais ont également introduit un comportement supraconducteur qui a fourni l'épine dorsale magnétique pour peut-être certains des premiers nœuds de l'univers.
Des reliques cosmiques se tordant
Alors que l'univers se refroidissait après le Big Bang, ses symétries se sont fracturées à travers une série de transitions de phase et, comme la glace gelant de manière inégale, elles pourraient avoir laissé derrière elles des défauts filiformes appelés cordes cosmiques, des fissures hypothétiques dans l'espace-temps qui, selon de nombreux cosmologistes, pourraient encore exister. Bien que plus mince qu’un proton, un pouce de corde pourrait dépasser les montagnes.
À mesure que le cosmos s’étendait, une toile tordue de ces filaments se serait étirée et emmêlée, portant les empreintes des conditions primordiales qui prévalaient autrefois.
La rupture de la symétrie B – L a produit des chaînes de tubes à flux magnétique, tandis que la symétrie PQ a donné naissance à des vortex superfluides sans flux. C’est leur contraste même qui les rend compatibles.
Le tube de flux BL donne au couplage Chern-Simons du vortex superfluide PQ quelque chose sur lequel s'accrocher. Et à son tour, le couplage permet à la pompe vortex superfluide PQ de se charger dans le tube de flux BL, contrant ainsi la tension qui ferait normalement casser la boucle. Le résultat était une configuration métastable et topologiquement verrouillée appelée soliton à nœuds.
« Personne n'avait étudié ces deux symétries en même temps, » » dit Nitta. « C'était plutôt une chance pour nous. Leur assemblage a révélé un nœud stable. »
Des passages à niveau fantômes
Alors que les radiations perdaient de l'énergie à mesure que leurs ondes s'étiraient dans l'espace-temps, les nœuds se comportaient comme de la matière, s'estompant beaucoup plus lentement. Ils ont rapidement dépassé tout le reste, ouvrant la voie à une ère dominée par les nœuds, où leur densité d'énergie, et non celle de leur rayonnement, régnait sur le cosmos. Mais ce règne ne dura pas.
Les nœuds ont finalement été dénoués grâce au tunnel quantique, un processus fantomatique dans lequel les particules glissent à travers les barrières énergétiques comme si elles n'existaient pas du tout.
Leur effondrement a généré de lourds neutrinos droitiers, conséquence inhérente de la symétrie B – L tissée dans leur structure. Ces particules fantomatiques massives se sont ensuite désintégrées en formes plus légères et plus stables avec un léger biais en faveur de la matière plutôt que de l'antimatière, nous donnant l'univers que nous connaissons aujourd'hui.
« Fondamentalement, cet effondrement produit beaucoup de particules, dont les neutrinos droitiers, les bosons scalaires et le boson de jauge, comme une douche, » explique Hamada, co-auteur de l'étude.
« Parmi eux, les neutrinos droitiers sont particuliers car leur désintégration peut naturellement générer le déséquilibre entre matière et antimatière. Ces neutrinos lourds se désintègrent en particules plus légères, comme des électrons et des photons, créant ainsi une cascade secondaire qui réchauffe l'univers. »
« En ce sens, » il a ajouté, « ils sont les parents de toute la matière dans l'univers aujourd'hui, y compris notre propre corps, tandis que les nœuds peuvent être considérés comme nos grands-parents. »
L'attacher ensemble
Lorsque les chercheurs ont suivi les calculs codés dans leur modèle (avec quelle efficacité les nœuds produisaient des neutrinos droitiers, quelle était la masse de ces neutrinos et quelle était la température du cosmos après leur désintégration), le déséquilibre matière-antimatière que nous observons aujourd'hui est apparu naturellement de l'équation.
Réorganiser la formule et brancher une masse réaliste de 1012 giga-électronvolts (GeV) pour les neutrinos lourds droitiers, et en supposant que les nœuds ont canalisé la majeure partie de leur énergie stockée pour créer ces particules, le modèle a naturellement atterri à une température de réchauffage de 100 GeV.
Cette température marque par coïncidence la dernière fenêtre de création de matière dans l’univers. S'il faisait plus froid, les réactions électrofaibles qui convertissent un déséquilibre des neutrinos en matière s'arrêteraient définitivement.
Un réchauffement à 100 GeV aurait également remodelé le chœur des ondes gravitationnelles de l'univers, l'inclinant vers des fréquences plus élevées. Les futurs observatoires tels que l'antenne spatiale à interféromètre laser (LISA) en Europe, Cosmic Explorer aux États-Unis et l'observatoire des ondes gravitationnelles à interféromètre déci-hertz (DECIGO) au Japon pourraient un jour écouter ce subtil changement d'accord.
« Les cordes cosmiques sont une sorte de soliton topologique, des objets définis par des quantités qui restent les mêmes, peu importe combien vous les tordez ou les étirez, » dit Eto.
« Cette propriété garantit non seulement leur stabilité, mais signifie également que notre résultat n'est pas lié aux spécificités du modèle. Même si les travaux sont encore théoriques, la topologie sous-jacente ne change pas, nous considérons donc cela comme une étape importante vers de futurs développements. »
Alors que Kelvin conjecturait à l'origine que les nœuds étaient les éléments fondamentaux de la matière, les chercheurs ont fait valoir que leurs découvertes « fournissent, pour la première fois, un modèle réaliste de physique des particules dans lequel les nœuds peuvent jouer un rôle crucial dans l'origine de la matière. »
« La prochaine étape consiste à affiner les modèles théoriques et les simulations pour mieux prédire la formation et la désintégration de ces nœuds, et relier leurs signatures aux signaux d'observation, » » dit Nitta.
« En particulier, les prochaines expériences sur les ondes gravitationnelles telles que LISA, Cosmic Explorer et DECIGO permettront de tester si l’univers a réellement traversé une ère dominée par les nœuds. »
Les chercheurs espèrent déterminer si les nœuds étaient essentiels à l’origine de la matière et, ce faisant, relier une histoire plus complète sur les débuts de l’univers.
