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Cosmologie : pourra-t-on voir la naissance de la masse des particules ?

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La découverte du boson de Brout-Englert-Higgs (BEH) incite à considérer les conséquences qu'implique son existence. Quelques millionièmes de millionième de seconde après l'hypothétique temps zéro du modèle cosmologique standard, le champ de BEH aurait donné une masse aux particules du modèle électrofaible. Une nouvelle étude laisse penser que le phénomène aurait généré des ondes gravitationnelles à la portée de la prochaine génération d'instruments d'astronomie gravitationnelle.

L'histoire du cosmos, de l'ère de Planck à nos jours. Peu après le temps de Planck, l'espace aurait subi pendant une infime fraction de seconde une période d'expansion exponentiellement accélérée : la phase inflationnaire (inflationary period) de la théorie de l'inflation. C'est à la fin de cette phase que la matière de l'univers observable serait née. L'inflation a peut-être été causée 10-35 seconde après le Big Bang par des analogues du champ de Brout-Englert-Higgs du modèle électrofaible. Vers 10-11 s, une petite phase d'inflation s'est probablement produite au moment où le mécanisme de Brout-Englert-Higgs a donné des masses aux bosons W et Z. La transition de phase électrofaible aurait laissé des traces sous la forme d'un fond de rayonnement gravitationnel fossile qui sera peut-être mesurable dans quelques décennies. © Cern

Si l'on remonte le cours du temps en direction d'un hypothétique instant zéro de l'univers observable, on finit par arriver à une brève période de l'histoire de l'univers appelée recombinaison. Elle s'est produite environ 380.000 ans après la naissance du cosmos observable, lorsque sa température est devenue suffisamment basse (environ 4.000 K) pour que les électrons soient capturés par les noyaux des atomes sans en être aussitôt arrachés par l'énergie des photons baignant l'univers primitif. Si l'on remonte plus loin, en dessous de la première seconde, avant que ne se produise en quelques minutes la nucléosynthèse à l'origine des éléments légers, on rencontre un autre événement marquant de la morphogénèse du cosmos.

Environ un millionième de seconde après le début de l'expansion de l'univers, sa température est si élevée que protons et neutrons commencent tout juste à exister. Avant, on trouve à leur place un plasma de quarks et de gluons à l'état libre, un QGP (pour quark-gluons plasma en anglais). Le passage de ce plasma à un gaz de nucléons peut se comparer à la formation de gouttes de liquide à partir d'un gaz. En l'occurrence, il s'est alors produit une transition de phase dite de premier ordre.

Dans le cadre des modèles unifiés des interactions en théorie quantique des champs, on est conduit à introduire plusieurs champs de Brout-Englert-Higgs pour donner une masse aux bosons des théories de jauge. Souvent, ces champs se comportent de la façon qui est décrite sur ce schéma. À très haute température, l'intensité d'un champ de Higgs dans le vide, notée Φ, est nulle, mais il existe une densité d'énergie dans le vide V(Φ) qui à ce moment-là, n’est pas nulle. Lorsque la température décroît dans l'univers primitif, le champ Φ se met à croître et, passée une certaine valeur, cette densité s'annule. Le phénomène s'accompagne de la formation de bulles de vrai vide (bubble nucleation), lequel peut être rempli d'autres particules comme des photons ou des quarks et des leptons. © DAMTP

Nous savons maintenant que ce n'était pas la première transition de phase survenue pendant l'histoire de l'univers primordial. La découverte du boson de Brout-Englert-Higgs implique que le mécanisme du même nom (que l'on trouve à la base de l'acquisition des masses des bosons intermédiaires W et Z du modèle standard, et aussi probablement des quarks et des leptons) a été à l'origine d'une autre transition de phase lorsque le cosmos observable n'était âgé que d'un centième de milliardième de seconde environ (10-11 s). La température y était de l'ordre de 1015 K, soit 100 million de fois plus élevée qu'au cœur du Soleil.

Des bulles dans le champ de Brout-Englert-Higgs

À ce moment-là, l'intensité du champ de Brout-Englert-Higgs du modèle électrofaible est en train de changer de valeur. Elle était nulle à des périodes encore plus anciennes de l'univers, et elle se met alors à croître rapidement. Si l'on peut considérer le champ de Brout-Englert-Higgs aujourd'hui autour de nous comme une sorte de fluide visqueux dans lequel les particules baignent (et acquièrent en quelque sorte de la masse, parce que ce fluide s'oppose à leurs mouvements libres), alors ce champ de Brout-Englert-Higgs primitif de valeur nulle est l'équivalent d'un gaz dans lequel apparaissent des bulles de liquide.

Les bulles de vrai vide (true vacuum), montrées dans le schéma précédent, grossissent dans le faux vide (false vacuum) et finissent par entrer en collision. Ces collisions provoquent la formation d'ondes gravitationnelles et aussi d'ondes sonores dans le fluide de particules de l'univers primordial. © DAMTP

Ces bulles grossissent rapidement et entrent en collision les unes avec les autres. Elles finissent par coalescer. Or, ces collisions provoquent l'émission d'ondes gravitationnelles. Comme ces ondes sont très pénétrantes, elles peuvent se propager sans problème dans le plasma de particules primitif, au contraire des photons qui n'ont pu voyager librement qu'après la recombinaison. Les photons du rayonnement fossile ne peuvent donc nous renseigner directement que sur l'état de la matière et de l'univers 380.000 ans après le Big Bang. Détecter des ondes gravitationnelles d'origine cosmologique constitue donc à priori une formidable fenêtre sur des périodes plus anciennes de l'univers.

Des images de la simulation de l'apparition de bulles de vrai vide au moment de la transition électrofaible. Elles coalescent de façon chaotique, ce qui génère des ondes sonores (qui ne sont pas celles que l'on écoute). Ces ondes génèrent à leur tour des ondes gravitationnelles. © New Scientist, YouTube

Jusqu'à présent, on pensait qu'il serait probablement difficile, voire impossible, d'observer les ondes gravitationnelles témoins de la transition de phase électrofaible avec des instruments comme eLisa. Mais un groupe de chercheurs britanniques et finlandais vient de déposer sur arxiv les résultats d'une simulation numérique qui tend à prouver que l'on a peut-être eu tort d'être pessimiste.

Les ondes gravitationnelles, clés pour percevoir l’univers primordial ?

Les chercheurs ont pris en compte un couplage entre la formation et les collisions des bulles de champ de Brout-Englert-Higgs d'une part et le fluide de quarks, gluons, leptons et photons dans lequel ces bulles croissaient et coalesçaient d'autre part. Ils ont découvert que les ondes de choc sonores, produites dans ce fluide par les collisions des bulles, généraient elles aussi des ondes gravitationnelles, mais d'une intensité bien plus élevée. Même après la fin des collisions, ces ondes sonores continuaient à être la source d'ondes gravitationnelles.

Selon les physiciens, le signal issu de la transition de phase électrofaible sous forme d'ondes gravitationnelles pourrait donc bien être à portée d'observation tôt ou tard. Si tel est bien le cas, il pourrait peut-être aussi nous aider à comprendre pourquoi il y a beaucoup plus de matière que d'antimatière dans l'univers observable. Si la transition a bien été du premier ordre, comme l'a pris pour hypothèse dans leurs travaux l'équipe de chercheurs, il existe un mécanisme de baryogénèse (rappelons que protons et neutrons sont des baryons), à partir d'une leptogénèse avec des neutrinos, qui a pu se opérer à ce moment-là. L'astronomie gravitationnelle pourrait donc permettre d'observer comment et à quel moment les particules ont acquis une masse dans l'univers primordial et pourquoi les antiprotons et les positrons sont si rares.