Une vue d'artiste du Big Bang. Rappelons que rien n'indique qu'il soit une explosion dans un espace le précédant. © santa pa design, Fotolia
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Les ondes gravitationnelles sont-elles la clé de l'énigme de l'antimatière manquante ?

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[EN VIDÉO] Interview : comment mesurer les ondes gravitationnelles ?  Les ondes gravitationnelles sont des déformations de l’espace-temps prédites par Einstein. Il serait possible de les mesurer avec des outils appropriés. L’éditeur littéraire Dunod a interviewé Pierre Binétruy, professeur au laboratoire Astroparticule et Cosmologie de l'université Paris Diderot, afin d’en savoir plus sur ces mystérieuses ondes et sur la façon dont on pourrait les détecter. 

Les lois de la physique connue impliquent qu'autant de matière que d'antimatière devrait avoir été produite pendant le Big Bang. Ce n'est pas le cas mais plusieurs solutions possibles à cette énigme de la cosmologie ont été proposées. L'une d'elles est peut-être testable avec la prochaine génération de détecteurs d'ondes gravitationnelles.

Au début du XIXe siècle, transformée et intensément développée par Lagrange et Laplace, la mécanique céleste de Newton était déjà parvenue à des résultats impressionnants. Et pourtant, personne ne connaissait la structure physique et la composition chimique ni du Soleil ni des planètes. De nos jours, le modèle cosmologique standard est dans une situation similaire avec son contenu en matière noire et énergie noire.

Ce ne sont pas les seules énigmes qui persistent à son sujet. Le modèle standard des particules élémentaires utilisé pour comprendre des phases primitives du cosmos observable impose qu'autant de particules de matière que de particules d'antimatière aient été créées. Ce n'est clairement pas le cas et plusieurs solutions ont été proposées pour expliquer pourquoi le monde autour de nous, y compris les étoiles et les galaxies ne semblent pas contenir d'antimatière, les antiparticules détectées dans le rayonnement cosmique s'expliquant très bien par des événements astrophysiques survenus après le Big Bang, notamment dans des collisions de particules à haute énergie.

Physiciens des particules et cosmologistes ont une façon bien à eux de parler de l'énigme de l'antimatière cosmologique manquante. La résoudre revient, pour eux, à proposer des scénarios de baryogénèse. Les baryons sont des particules composées de trois quarks et les plus importants dans l'Univers observable sont les protons et les neutrons. Dans des réactions entre particules élémentaires on constate qu'il existe une quantité appelée nombre baryonique qui est l'analogue d'une charge électrique et qui se conserve dans quasiment tous les processus connus et dans le cadre du modèle standard de la physique des particules. Il faut pouvoir violer cette loi de conservation pour créer des protons et des neutrons.

Normalement la charge électrique se conserve et la théorie quantique des champs dans le cadre du modèle standard nous dit qu'il doit se créer autant de particules que d'antiparticules. Mais on peut montrer que certaines théories spéculatives au-delà du modèle standard, comme les GUT ou les théories supersymétriques, parce qu'elles contiennent des processus de baryogénèse et de violation de la conservation du nombre baryonique et qui satisfont à des conditions très générales dites de Sakharov au moment du Big Bang, vont conduire à la production de plus de baryons que d'antibaryons. Un baryon d'un type donné se désintègre en lumière en entrant en contact avec son antibaryon de sorte qu'à la fin du Big Bang, si un déséquilibre entre baryons et antibaryons existait au départ, au final le cosmos observable ne contiendra plus que des baryons.

Une présentation de la théorie de l'inflation. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © PBS Space Time

Des champs scalaires et des solitons

Au fil des années, de très nombreux mécanismes et théorie ont été proposés pour rendre compte de cette phase d'inflation qui permet de résoudre plusieurs énigmes de la cosmologie. Basiquement, il y a très souvent l'équivalent d'un champ scalaire que l'on baptise « l'inflaton ». Se pose alors le problème de faire le tri entre ces différents modèles d'inflation et tout simplement celui de tester l'existence même de cette phase de dilatation de l'espace.

L'un des scénarios de baryogénèse envisagé porte le nom de deux physiciens qui l'ont proposé en 1985 : Ian Affleck et Michael Dine. Le mécanisme de Affleck et Dine peut se manifester en relation avec une prédiction du physicien Sydney Coleman, faite la même année et qui a introduit le concept de Q-balls. Ce genre d'objet a été proposé pour décrire la nature de la matière noire de sorte que le mécanisme de Affleck et Dine pourrait être la solution à deux énigmes de la cosmologie et pas seulement celle de l'antimatière manquante.

Regardons de plus près ce que sont les Q-balls. Tout d'abord il faut comprendre que « Q » renvoie initialement à la charge électrique mais il existe en fait une procédure mathématique générale qui permet d'associer à certains champs de force des équivalents d'une charge électrique conservée. Dans le cas présent, les calculs de Coleman portent sur des équations non linéaires de champs scalaires analogues à celles du champ du boson de Brout-Englert-Higgs (BEH).

Coleman a montré qu'en plus des solutions qui sont des analogues des vagues linéaires ordinaires à la surface d'un fluide, il y a des solutions qui sont des analogues des vagues non linéaires que l'on appelle des solitons. Ce sont des paquets de champs très stables qui ne se dissipent pas ou peu en se déplaçant contrairement aux équivalents des vagues ordinaires.

On pense qu'au tout début de l'histoire du cosmos observable, l'espace a connu une phase d'expansion très rapide appelée inflation en raison de l'existence d'un champ scalaire cousin de celui du boson BEH et que l'on appelle l'inflaton. À la fin de la phase d'inflation, des concentrations sphériques d'énergie solitoniques pouvaient se former dans certains champs scalaires existants, mais différents de l'inflaton. Concentration pouvant piéger des particules comme des quarks ou des électrons et possédant un analogue de la charge électrique Q des quarks ou des électrons, des « boules Q », des Q-balls donc.

Le télescope Einstein est conçu pour mesurer au moins dix fois plus précisément que les détecteurs actuels. Cela permettra de balayer un volume mille fois plus grand et de détecter des sources trop faibles pour être perceptibles par les détecteurs actuels. Avec ces nouvelles connaissances, les physiciens pourront tester la théorie de la relativité générale d’Einstein comme jamais auparavant et perfectionner – ou amender – notre connaissance de l’Univers. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Einstein Telescope

Des Q-balls qui se désintègrent violemment

Ce scénario est difficile à tester mais aujourd'hui un nouvel espoir à ce sujet émerge de travaux qui viennent de faire l'objet d'un article publié dans Physical Review Letters et que l'on peut trouver en accès libre sur arXiv.

L'article provient d'une équipe de chercheurs au Japon et aux États-Unis, comprenant Graham White, chercheur au Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe Project, et Alexander Kusenko, professeur de physique et d'astronomie à l'Ucla.

Dans le modèle de Q-ball autorisé par le mécanisme de Affleck et Dine, ces solitons piégeant des fermions sont en fait quantiquement instables et ils vont se désintégrer pendant la période où l'Univers observable est encore à l'état de plasma, mais n'est plus dominé en densité par la lumière.

Les Q-balls disparaissent en créant des perturbations violentes dans ce plasma, ce qui produit de fortes ondes sonores, lesquelles vont produire des ondes gravitationnelles d'assez forte intensité.

Il se produirait donc un phénomène assez similaire à celui expliqué par Futura dans un précédent article sur la transition électrofaible.

Ces ondes ont une signature bien spécifique et les chercheurs ont montré qu'elles étaient dans une bande de fréquences et avec une intensité qui pourrait permettre de les détecter avec une prochaine génération d'instruments pour les ondes gravitationnelles, en particulier le télescope Einstein.

Si tel est le cas on aura donc une signature du processus de baryogénèse de Affleck et Dine et in fine une solution à l'énigme de l'antimatière cosmologique.
 

Pour en savoir plus

L'antimatière cosmologique manque toujours à l'appel !

Article de Laurent Sacco publié le 03/11/2008

C'est une des grandes énigmes de la cosmologie : où est passée l'antimatière, qui devait être autant présente que la matière peu après le début de l'Univers observable ? Une solution, la théorie de l'émulsion, vient de subir un nouveau test grâce aux satellites Chandra et Compton. Le mystère subsiste...

Une photo composite montrant l'amas galactique du Bullet cluster, situé à environ 3,8 milliards d'années-lumière de la Terre, réalisée à partir d'images de Chandra (rayons X), du télescope spatial Hubble et du télescope Magellan au Chili. © Nasa/CXC/CfA/M.Markevitch et al.

Une des lois fondamentales du modèle standard stipule que la création de particules de matière chargées ne peut se faire que sous forme de paires de particule-antiparticule. Un positron doit donc être créé en même temps qu'un électron et un quark simultanément à un anti-quark. Ainsi, la somme des charges des paires de particules étant toujours nulle (les charges des antiparticules sont égales mais opposées à celles des particules), on vérifie bien la loi de la conservation de la charge. L'Univers lui-même peut avoir commencé son histoire avec une charge totale nulle, ce qui rend moins difficile l'idée d'une « création » de l'Univers puisqu'il n'y a pas à expliquer l'apparition d'une charge globale.

Mais l'antimatière semble très rare dans notre Univers... Il existe bien quelques particules d'antimatière créées par des processus astrophysiques violents, comme par exemple au voisinage des quasars, et peut-être par des mini trous noirs primordiaux en train de s'évaporer. Mais elles ne sont qu'une goutte face à un océan manquant... Où est donc passée l'antimatière cosmologique ?

Une des réponses possibles est qu'elle est bien là mais qu'elle s'est séparée de la matière pour former une émulsion, un peu comme le vinaigre et l'huile dans une vinaigrette. A grande échelle, l'Univers serait alors une série de poches de matière et d'antimatière. Nous nous trouverions dans l'une d'elles, nous interrogeant sur l'énigme de l'absence d'antimatière autour de nous.

Comment tester cette théorie ?

Le principe à mettre en œuvre pour vérifier cette hypothèse est assez simple. En effet, à l'interface entre ces deux poches, des annihilations devraient se produire avec une émission copieuse de rayon gamma. Les astrophysiciens ont donc rapidement cherché ce signe au niveau des galaxies.

Bien sûr, une anti-galaxie doit apparaître au télescope comme une galaxie normale. Elle en est donc indistinguable. Mais elle peut entrer en collision avec une galaxie... Même si des chocs directs entre étoiles et anti-étoiles ne peuvent se produire, il en serait tout autrement pour le milieu interstellaire composé de plasma, de poussières, d'atomes et de molécules. Une signature nette d'annihilations serait alors aisément observable... mais elle n'a jamais été repérée, ce qui rend les cosmologistes de plus en plus perplexes.

Gary Steigman est l'un des pionniers des recherches sur cette énigme cosmologique et il s'est fait connaître avec David Schramm en prévoyant, à partir des données de la nucléosynthèse primordiale de l'hélium, qu'il ne devait exister que trois familles de neutrinos dans l'Univers. D'abord un peu sceptique, la communauté scientifique dut se rendre à l'évidence en 1989 lorsque le LEP vérifia en accélérateur, avec la largeur de la désintégration du boson Z0, qu'il n'existait en effet que trois familles de neutrinos légers.

Aujourd'hui, Gary Steigman poursuit ses travaux sur l'antimatière cosmologique en mettant à profit les nouveaux résultats fournis ces dernières années par les satellites Chandra et Compton observant respectivement en rayons X et gamma. Puisque les tests précédents, restés négatifs, avaient été effectués au niveau des galaxies, ne pouvait-on imaginer que c'était au niveau des amas de galaxies que la séparation entre matière et antimatière s'était effectuée tôt dans l'histoire de l'Univers ?

Une représentation possible de collisions d'amas contenant de l'antimatière. © Nasa/CXC/M. Weiss

Nous n'observons peut-être qu'une minuscule portion de l'Univers

Or justement, des collisions au niveau des amas ont bel et bien été observées, en particulier celle du célèbre Bullet cluster qui a fourni des arguments très convaincants en faveur de l'existence de la matière noire, précisément grâce aux observations en rayons X de Chandra.

Gary Steigman vient de publier un article à ce sujet et ses conclusions sont que les amas entrés en collision dans le cas du Bullet cluster ne peuvent pas être constitués à plus d'une part pour 3 millions d'antimatière. Si l'on tient compte également du mouvement des amas, alors cette limite impose que sur une échelle de distance d'environ 65 millions d'années-lumière, l'Univers est bien toujours très majoritairement constitué de matière.

Cela réfute-t-il complètement la théorie de l'émulsion ? Probablement pas, surtout si l'on tient compte de la théorie de l'inflation. La séparation entre des zones de matière et d'antimatière n'est peut-être décelable que lorsque l'on considère l'Univers sur des échelles de plusieurs centaines de milliards d'années-lumière. Si la théorie de l'inflation proposée par Alan Guth et Andreï Linde est exacte, alors une expansion ultrarapide mais brève du cosmos observable s'est produite moins de 10-35 s après le « début » de l'Univers. Ce dernier serait alors incomparablement plus vaste que ce que nos observations montrent, s'étendant même peut-être sur des milliards de milliards d'années-lumière... ou plus.

Pas découragé pour autant, Gary Steigman continue sa quête, mais il se pourrait bien que la solution de l'énigme de l'antimatière cosmologique trouve sa solution dans une autre direction. En effet, les théories de Grande Unification, les GUT, faisant fusionner les forces électrofaible et nucléaire forte, prédisent justement une asymétrie entre matière et antimatière. Elles font intervenir un ingrédient mis en avant une première fois par Sakharov, la violation CP, dont on sait qu'elle existe au moins au niveau des interactions électrofaibles comme le récent prix Nobel de physique vient de nous le rappeler. Toutefois, la violation CP déjà observée est encore trop faible pour rendre compte de l'asymétrie entre matière et antimatière au niveau cosmologique. Mais nous n'en sommes encore qu'au début de notre exploration du cosmos...

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