La lumière bleue que l’on voit sur cette image provient du rayonnement Cherenkov produit dans l’eau par la radioactivité du réacteur de l’Institut Laue-Langevin à Grenoble. Ce réacteur produit aussi des neutrons utilisés pour toutes sortes d’expériences. © Institut Laue-Langevin

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Univers parallèle : pas de porte en vue mais une détection possible avec des neutrons

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Selon certains physiciens, un univers parallèle, miroir du nôtre, autoriserait certaines particules à sortir de notre univers pour y rentrer à nouveau. Des neutrons pourraient ainsi jouer les passe-murailles de plusieurs façons. L'idée a été testée avec le réacteur nucléaire de l'institut Laue-Langevin à Grenoble il y a quelques années, et elle devrait l'être à nouveau avec son cousin américain le High Flux Isotope Reactor (HFIR) d'Oak Ridge.

La physicienne états-unienne Leah Broussard, du laboratoire national Oak Ridge qui a produit l'uranium 235 du projet  Manhattan, fait le buzz en ce moment. Plusieurs articles laissent entendre qu'elle se prépare, avec ses collègues, à ouvrir une porte interdimensionnelle permettant de pénétrer dans un univers parallèle. Faut-il vraiment prendre au sérieux ces articles et prophétiser que Les aventures de Buckaroo Banzaï à travers la 8e dimension vont passer du stade de film de série B à celui de la réalité, après avoir atteint celui de film culte pour certains ?

Leah Broussard est une chercheuse tout à fait crédible et l'on trouve effectivement sur arXiv un article écrit avec de nombreux collègues qui se propose de faire une expérience avec les faisceaux de neutrons disponibles au célèbre High Flux Isotope Reactor (HFIR) d'Oak Ridge, un réacteur nucléaire dont la fonction est similaire à celle du réacteur nucléaire de l'institut Laue-Langevin à Grenoble.

Les aventures de Buckaroo Banzaï (1984). © Le ciné-club de M. Bobine

Il s'agit bien de tenter de mettre en évidence un univers parallèle qui peut s'inscrire dans la mode actuelle concernant les multivers, mais pas n'importe lequel. Il n'est nullement question des univers multiples d’Everett dont avait parlé à Futura le cosmologiste Max Tegmark. Il n'est nullement question non plus d'ouvrir une porte interdimensionnelle que nous pourrions traverser mais bien question de tester certaines prédictions raisonnables que l'on trouve associées à la notion d'Univers miroir.

Pour comprendre de quoi il s'agit, il va nous falloir remonter dans le passé pour faire connaissance avec Lev Okun et surtout, la découverte pendant les années 1950 de la violation de la parité, la symétrie P, encore appelée symétrie miroir.

Lev Okun est un physicien russe dont les travaux sur la physique des particules élémentaires sont bien connus. On lui doit le terme de hadron désignant toutes les particules faites de quarks et de gluons comme les nucléons, les mésons et les hypérons. © Cern

Un univers parallèle de particules de matière miroir ?

L'hypothèse d'une non-conservation de la parité dans le monde des particules élémentaires avait été suggérée par Richard Feynman lors d'une conférence en 1956 à laquelle assistaient Tsung Dao Lee et Chen Ning Yang. Les deux physiciens d'origine chinoise donnèrent quelques mois plus tard une formulation précise de cette violation de la symétrie miroir, permettant de montrer qu'elle conduisait à des tests précis. En pratique, cette violation impliquait que si on réalisait une copie d'un dispositif expérimental obtenu en prenant son image dans un miroir, -- ce qui par exemple change le sens du courant dans une bobine générant un champ magnétique --, les résultats des expériences dans ce second dispositif ne seraient pas identiques à ceux des expériences effectuées avec le premier en ce qui concerne les forces nucléaires faibles, avec la désintégration radioactive bêta en particulier. Derrière cette violation, se trouvait une restriction du comportement des neutrinos qui, dans le langage des physiciens, revient à dire qu'ils ne peuvent exister que sous forme de neutrinos gauches et pas de neutrinos droits.

Un autre physicien russe, le légendaire Lev Landau était initialement très sceptique, trouvant absurde l'idée qu'il puisse exister une violation fondamentale d'une symétrie liée à l'espace et impliquant des restrictions sur la forme des neutrinos. Pourtant, des expériences, comme celle réalisée par la physicienne Chien-Shiung Wu, montrèrent que des violations de la symétrie P étaient bien réelles. Cela conduisit Okun et d'autres chercheurs à postuler pendant les années 1960 qu'il existait peut-être un univers de matière en miroir du nôtre, et le côtoyant. Pour maintenir la conservation de la parité, dont la symétrie miroir, il fallait imaginer des copies des forces et des particules de matières connues à l'époque, donc les forces électromagnétiques et les forces nucléaires, mais ne pouvant interagir avec le nôtre que par l'effet de la gravitation. Il devait donc exister des atomes, des molécules et des photons noirs, invisibles en pratique.

De gauche à droite, Rocky Kolb et Michael Turner sont deux célèbres astrophysiciens travaillant aux frontières de la cosmologie et de la physique des particules élémentaires. Leur monographie The Early Universe est un ouvrage de référence. © Fermilab

Des particules de matière noire dans un univers miroir ?

Cette hypothèse de l'existence d'un monde miroir exigée par les symétries des particules élémentaires a resurgi sous des formes renouvelées pendant les années 1980 et 1990 avec l'essor des théories supersymétriques, en particulier celles des supercordes, et bien sûr avec aussi les confirmations de la validité des prédictions du modèle standard basées sur les fameuses symétries de jauge et les groupes de Lie. C'est aussi à ce moment que les progrès de la cosmologie et de l'astrophysique ont donné beaucoup plus de poids à l'hypothèse de la présence de la matière noire dans l'univers.

La théorie quantique du champ électromagnétique et des forces nucléaires faibles fait intervenir un groupe de symétrie nommé U(1) pour le photon et un autre nommé SU(2). Comme celle des forces nucléaires fortes fait intervenir le groupe SU(3), on dit souvent que les symétries fondamentales des interactions du modèle standard sont un groupe SU(3)*SU(2)*U(1) qui est le produit des groupes précédents. L'une des théories des supercordes les plus prometteuses contient, elle, le produit de deux groupes de Lie identiques, en l'occurrence E8. Comme E8 contient comme sous-groupes SU(3) *SU(2)*U(1), des théoriciens de la cosmologie comme Kolb et Turner ont pensé en 1986 que cette copie du modèle standard pouvait correspondre à l'univers miroir d'Okun et surtout expliquer la présence de la matière noire.

Actuellement, toutes les tentatives de détection de ces particules ont échoué, en particulier celles découlant des modèles les plus raisonnables de sorte que l'on voit clairement une tendance qui consiste à reconsidérer avec attention les modèles plus exotiques dont les prédictions n'ont pas encore été bien explorées.

Une vidéo de présentation du HFIR d’Oak Ridge. © U.S. Department of Energy

Revenons maintenant à Leah Broussard. Dans le cadre de la théorie des univers miroirs, même si il n'y a pas d'autres interactions directes que celle de la gravité entre les deux mondes, il reste possible que des phénomènes d'oscillations analogues à ceux existant avec les neutrinos fassent sentir leur présence.

Concrètement, des particules tout aussi neutres électriquement, en l'occurrence des neutrons, pourraient se convertir temporairement les unes dans les autres entre les deux mondes. Même si il ne faut pas imaginer une copie de la Terre dans un univers parallèle miroir, des neutrons dans notre univers pourraient se convertir en des neutrons dans l'univers parallèle, s'y déplacer, puis se reconvertir en neutrons dans notre univers.

En pratique, alors que l'on ne devrait pas s'attendre à trouver des neutrons provenant d'un flux généré par le HFIR d'Oak Ridge (ou le réacteur de Grenoble) derrière un bouclier capable de l'absorber complètement, on devrait pouvoir détecter une petite composante de ce flux du fait du processus d'oscillation qui a, en quelque sorte, permis de contourner l'obstacle en passant dans l'univers miroir.

En fait, des variantes de cette idée ont déjà été proposées et testées, comme l'expliquait par exemple Futura dans le précédent article ci-dessous, sans résultats. Leah Broussard pense elle-même qu'il y a peu de chance que l'on observe quelque chose mais l'expérience n'est pas aussi compliquée à réaliser que celles menées avec le LHC et les résultats obtenus pourraient être révolutionnaires. Comme on dit, qui ne tente rien n'a rien...

  • La théorie des univers miroirs postule l'existence d'un univers parallèle dont les forces et les particules sont quasiment les mêmes que celles existant dans notre univers.
  • Normalement, aucune de ces forces, à part la gravité, et aucune de ces particules ne peuvent passer d'un univers à un autre, ce qui explique que nous ne prenons pas conscience de cet univers miroir dans la majorité des phénomènes accessibles.
  • La matière noire pourrait se trouver dans cet univers miroir.
  • On pense toutefois que des neutrons pourraient passer temporairement d'un univers à l'autre, en particulier sous forme d'oscillations analogues à celles connues avec les neutrinos.
  • Des expériences ont tenté et vont continuer de surprendre ces phénomènes avec des neutrons.
  • En pratique, tout se passerait comme si les neutrons pouvaient pénétrer des barrières qu'ils ne devraient pas, en les contournant dans l'univers miroir.
Pour en savoir plus

Des neutrons pour chercher des univers parallèles

Article de Laurent Sacco publié le 15/05/2016

Selon certains physiciens, un univers parallèle autoriserait certaines particules à sortir de notre univers pour y rentrer à nouveau. Des neutrons pourraient ainsi jouer les passe-murailles. L'idée a été testée avec le réacteur nucléaire de l'institut Laue Langevin à Grenoble.

Quand la première révolution de la théorie des supercordes est arrivée au milieu des années 1980 grâce à Michael Green et John Schwarz, un fait curieux a intrigué certains physiciens. La version la plus prometteuse de la théorie reposait sur le produit de deux groupes de symétries identiques, à savoir E8 par E8. Chacun de ces groupes de Lie contient comme sous-groupes ceux du modèle standard, ce qui a permis de spéculer sur l'existence d'une sorte de second monde miroir du nôtre qui ne l'influencerait qu'au niveau de la gravité.

En effet, aucune des particules des deux mondes ne semblait pouvoir passer de l'un à l'autre, sauf, peut-être, les gravitons, ce qui donnait une solution élégante au problème de la masse manquante. La matière noire que l'on commençait à considérer sérieusement faisait peut-être partie de cet autre univers parallèle.

Film de présentation générale de l'institut Laue-Langevin, leader mondial en sciences et techniques neutroniques, situé à Grenoble. © ILL Laue Langevin

La seconde théorie des cordes, apparue au milieu des années 1990, a considérablement stimulé les théoriciens en leur permettant d'élaborer des scénarios compliqués et variés de mondes parallèles à l'aide des dimensions spatiales supplémentaires de la théorie des cordes ou de la théorie de la supergravité de Kaluza-Klein. L'idée que notre univers, et d'autres, était l'équivalent d'une feuille flottant dans l'espace a permis d'imager le concept d'univers membrane en 3D plongé dans un espace en 4 voire 10 dimensions.

Là aussi, des mécanismes décrits par la théorie des cordes pouvaient expliquer pourquoi les particules du modèle standard semblaient confiner à notre univers-membrane, un peu à la façon dont les quarks et les gluons sont confinés dans les hadrons en théorie quantique des champs. Une autre approche d'unification de la physique, la géométrie non commutative d'Alain Connes postule, elle aussi, pour expliquer l'existence du champ de Brout-Englert-Higgs, une sorte de deuxième feuillet d'univers dédoublant le nôtre.

Sur ce schéma, notre univers est représenté par une membrane (our brane) plongée dans un espace plus grand où se trouve un autre univers ressemblant au nôtre mais caché (hidden brane). Un neutron pourrait parfois voyager dans cet espace par effet tunnel quantique puis se retrouver sur l'autre membrane. © Michael Sarrazin, Guillaume Pignol, Jacob Lamblin, Fabrice Petit, Guy Terwagne, Valery V. Nesvizhevsky

Des neutrons qui sautent d’un univers à un autre

Mais comment tester de telles spéculations débridées des théoriciens ? On a espéré à la fin des années 1990 que plusieurs de ces théories incluant des dimensions spatiales supplémentaires modifiaient nos idées sur la fameuse masse de Planck, le niveau d'énergie où la gravitation quantique et l'unification de toutes les forces se manifestent le plus clairement. On pouvait peut-être sonder ces théories à des énergies accessibles au LHC alors que l'on pensait avant qu'un collisionneur de la taille de la Voie lactée était nécessaire. Il semble malheureusement qu'il n'en soit pas le cas. Bien que rien ne soit certain, n'existerait-il pas malgré tout des phénomènes à basses énergies que l'on pourrait observer et qui donneraient du poids à l'hypothèse que notre univers soit une sorte de membrane ?

Plusieurs chercheurs le pensent, particulièrement en France et en Belgique. C'est ainsi qu'au début des années 2010, Michaël Sarrazin, Fabrice Petit et leurs collègues ont commencé à envisager que par effet tunnel quantique, certaines particules du modèle standard, en l'occurrence des neutrons, pouvaient parfois sauter d'une membrane à une autre si leur distance n'est pas trop importante et si notre univers est en fait formé de deux membranes proches dans un espace plus grand baptisé le « bulk ». On trouve une hypothèse similaire dans le fameux modèle de Randall-Sundrum à la base du scénario d'Interstellar.

La source de neutron de l'ILL est isolée par un mur de béton (Concrete wall). Mais un flux de neutrons partis dans un univers parallèle (Hidden neutron flux) où il voyage temporairement pourrait émerger à nouveau dans un détecteur bien protégé d'un flux de neutrons extérieur. © Michael Sarrazin, Guillaume Pignol, Jacob Lamblin, Fabrice Petit, Guy Terwagne, Valery V. Nesvizhevsky

Pour l’instant, RAS...

Ces sauts seraient rares ce qui expliquerait pourquoi ils restent inobservables dans la vie de tous les jours et au laboratoire. Mais selon les chercheurs, ils pourraient malgré tout être mis en évidence de la façon suivante. On commencerait par utiliser une source de neutrons comme celle disponible à Grenoble à l'institut Laue-Langevin. Un flux de ces neutrons serait enfermé dans un bloc de béton de sorte qu'un détecteur placé à l'extérieur, convenablement calibré pour ne pas tenir compte du flux de neutrons naturel, ne devrait pas pouvoir détecter ceux produits par la source intense à proximité.

Mais si les sauts quantiques entre univers-membrane sont réels, certains neutrons de la source pourraient sortir de notre univers, voyager dans le second puis revenir dans le nôtre de sorte que le détecteur devrait voir un flux anormal de neutrons. L'intensité de ce flux étant reliée à la distance séparant les deux membranes, on aurait de cette façon un moyen de la mesurer.

Les chercheurs ont réalisé cette expérience et ils viennent d'exposer les résultats obtenus dans un article que l'on peut trouver sur arXiv. Pour le moment ils sont négatifs.

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