Le mystère de la matière noire RÉSOLU ? L’univers miroir qui remonte dans le temps pourrait détenir la clé | Sciences | Nouvelles

Matière noire : des scientifiques dans un « nuage de brouillard » sur une énigme

Les physiciens ont déterminé que les lois de la nature ont tendance à suivre trois symétries fondamentales, celle de la charge, de la parité et du temps, connues collectivement sous le nom de symétrie CPT. Ce que cela signifie, en théorie, c’est que si vous deviez considérer les interactions entre n’importe quelles particules, vous pourriez inverser les charges (échanger la matière avec l’antimatière, par exemple) ; remplacer chaque particule, interaction et désintégration par son image miroir (une transformation dite de parité); ou exécutez l’interaction vers l’arrière au lieu d’avancer dans le temps – et elle se comporterait toujours de la même manière. En réalité, cependant, les choses sont un peu plus compliquées, car parfois les symétries individuelles ne sont pas suivies, dans ce que les physiciens appellent une “violation”.

Si nous prenons les neutrinos, par exemple – des particules subatomiques similaires aux électrons, mais sans charge électrique et avec une masse minimale – on pense qu’ils tournent toujours dans le sens des aiguilles d’une montre par rapport à la direction dans laquelle ils se déplacent.

Les physiciens appellent cela «la main gauche»; si vous tendez la main avec votre pouce pointé vers vous et vos doigts pliés, vous verrez que vos doigts s’enroulent autour de l’axe du pouce dans le sens des aiguilles d’une montre.

Parce que tous les neutrinos connus sont gauchers, vous ne pouvez pas effectuer une transformation de parité sur eux, car l’image miroir serait un neutrino droitier, qui ne semble pas exister.

De même, comme les antineutrinos sont toujours droitiers, vous ne pouvez pas effectuer une transformation de charge sur un neutrino, car vous devriez vous retrouver avec un antineutrino gaucher.

Alors que des symétries individuelles ont été considérées comme violées, aucun système n’a jamais violé les trois parties de la symétrie CPT à la fois – cela semble être fondamental.

Notre univers peut avoir des homologues “miroirs”, les physiciens ont proposé (Image : Getty Images)

La galaxie d'Andromède

Un univers miroir peut aider à expliquer la matière noire qui maintient les galaxies ensemble (Image : Getty Images)

Dans leur étude, le Dr Latham Boyle et ses collègues du Perimeter Institute for Theoretical Physics de Waterloo, au Canada, proposent d’étendre la portée de la symétrie CPT.

Ils ont cherché à savoir si cela pourrait s’appliquer non seulement aux interactions de base au sein de l’univers, mais également à l’univers lui-même.

Selon le trio, le point de départ de cette expérience de pensée est venu d'”une simple observation” – que dans l’ère chaude et dominée par les radiations de l’univers primitif qui a commencé moins d’une minute après le Big Bang, les mathématiques décrivant l’univers de fond ont symétrie d’inversion du temps.

Ils ont ajouté: “Nous interprétons cela comme un indice que l’état de l’univers (c’est-à-dire l’espace-temps lui-même ainsi que l’état quantique de la théorie quantique des champs sur cet espace-temps) pourrait en fait respecter la symétrie CPT.”

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Les ondes gravitationnelles et l'histoire de l'univers

Si notre univers a un jumeau, nous ne trouverons pas de signes d’ondes gravitationnelles primordiales (Image : Creative Commos / Drbogdan / Yinweichen)

Le cosmos tel que nous le connaissons évolue dans le temps. Pour que la symétrie CPT s’applique à l’univers, il va donc de soi que notre compréhension de l’univers ne peut représenter que la moitié de l’image – il doit y avoir un autre univers situé de l’autre côté du Big Bang, un dans lequel le temps s’écoule en la direction opposée.

Dans cet univers “miroir”, toutes les particules auraient la charge opposée aux homologues de l’univers premier, apparaîtraient comme si elles étaient retournées dans le miroir et courraient, de notre point de vue, “en arrière” dans le temps.

Alors que, par eux-mêmes, ni notre ni l’univers miroir ne violent la symétrie CPT, lorsqu’ils sont pris ensemble, ils lui obéiraient.

L’équipe a déclaré: “L’univers avant le bang et l’univers après le bang peuvent être considérés comme une paire univers / anti-univers, émergeant directement dans l’ère chaude et dominée par les radiations que nous observons dans notre passé.”

L'expérience BICEP

L’expérience BICEP au pôle Sud recherche les ondes gravitationnelles primordiales (Image : Amble)

Considérer notre cosmos connu comme faisant partie d’une paire univers / anti-univers a des ramifications intéressantes pour notre compréhension de la physique.

Pour commencer, un univers respectant le CPT se dilaterait naturellement et se remplirait de particules, ont expliqué les chercheurs.

Cela dispense de la nécessité de la soi-disant “époque inflationniste” au cours de laquelle l’univers s’est rapidement étendu pendant une fraction de seconde peu après le big bang, augmentant son volume d’un facteur d’un tredécillion – ou “1” suivi de 78 zéros.

Bien qu’il existe de nombreuses preuves suggérant qu’un événement inflationniste s’est produit, les modèles de ce type ont tous des aléas inhérents – et d’autres interprétations peuvent encore être viables.

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Dans le même temps, un univers qui respecte le CPT aurait besoin d’avoir une espèce de neutrino sans masse ainsi qu’au moins une variété de neutrino droitier – qui, comme indiqué précédemment, n’a jamais été observée.

Et s’ils existaient, les neutrinos droitiers, selon les physiciens, seraient abondants mais largement indétectables et n’interagiraient avec d’autres particules que par gravité.

Cela fait des neutrinos droitiers un candidat intrigant pour la “matière noire”, le composant mystérieux de l’univers dont l’existence – et l’influence gravitationnelle – est nécessaire pour expliquer pleinement le mouvement des étoiles dans les galaxies.

Les physiciens ont estimé qu’environ 27% de l’univers pourrait être composé de matière noire.

Spock de l'univers miroir, dans Star Trek

Dans Star Trek, l’accès à l’univers miroir (photo) n’était qu’un dysfonctionnement du transporteur (Image : IMDB)

Contrairement à la franchise Star Trek, où l’accès à l’univers miroir – et sa prolifération de boucs d’apparence sinistre – n’est qu’un dysfonctionnement du transporteur, nous ne pourrons probablement jamais visiter ou même mesurer directement notre homologue anti-univers.

Cependant, ont expliqué les chercheurs, il existe des moyens de déduire l’existence d’un univers miroir réel en étudiant les propriétés de notre propre cosmos.

Par exemple, si notre univers a un jumeau, alors nous devrions un jour découvrir que tous les neutrinos actuellement connus sont leurs propres antiparticules – et, comme mentionné ci-dessus, qu’une espèce de neutrinos est complètement sans masse.

Enfin, le modèle de l’univers jumeau signifierait que l’espace-temps n’a jamais été ébranlé par l’inflation, ce qui signifie que la recherche en cours d’ondes gravitationnelles primordiales – comme celle entreprise par l’expérience BICEP au pôle Sud – s’avérerait infructueuse.

Une préimpression de l’article des chercheurs, qui a été acceptée pour publication dans la revue Annals of Physics mais n’a pas encore été évaluée par des pairs, peut être lue sur le référentiel arXiv.

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