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Un mystérieux «  coup de pied  » juste après le Big Bang a peut-être créé de la matière noire

L’un des mystères persistants de l’univers est pourquoi tout existe.

C’est parce que, dans l’univers aujourd’hui, la matière et son homologue d’antimatière devraient se former en quantités égales, puis ces deux types de matière de charge opposée s’annihileraient au contact. Toute la matière de l’univers aurait donc dû disparaître dès sa formation, s’annulant au contact de son homologue d’antimatière.

Mais cela ne s’est pas produit. Maintenant, de nouvelles recherches émettent l’hypothèse qu’au début de l’univers, il y avait un mystérieux «coup de pied» qui produisait plus de matière que d’antimatière, conduisant au déséquilibre actuel. Et ce déséquilibre peut également avoir conduit à la création de matière noire, la substance mystérieuse qui tire sur tout le reste mais n’interagit pas avec la lumière.

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Coïncidence ou complot?

Nous ne savons pas ce qu’est la matière noire, mais c’est définitivement là-bas. Il représente environ 80% de toute la matière de l’univers, dépassant de loin les étoiles, les galaxies, la poussière et les gaz que nous pouvons voir.

Et si la matière noire est certainement un poids lourd dans notre univers, elle n’est, curieusement, pas vraiment un facteur dominant: en physique, lorsqu’un processus domine une interaction, il prend vraiment le dessus. À moins qu’une autre physique n’entre en jeu, il est rare que deux forces concurrentes s’équilibrent. Par exemple, lorsque les forces de gravité et d’électromagnétisme rivalisent à l’intérieur d’une étoile géante, la gravité finit toujours par l’emporter et l’étoile s’effondre. Ainsi, le fait que la matière noire représente 80% de la masse de l’univers – et non 99,99999% – et que la matière régulière représente 20% au lieu de zéro, semble étrange aux physiciens. Un partage 80/20 ne semble même pas lorsqu’il s’agit, par exemple, de partager les gains du loto, mais pour un astronome, les deux montants sont pratiquement les mêmes.

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Le problème est aggravé par le fait que, pour autant que nous le sachions, la génération de matière régulière et de matière noire n’avait absolument rien à voir l’une avec l’autre. Nous n’avons aucune idée de l’origine de la matière noire dans l’univers primitif, mais quoi qu’elle soit, elle est actuellement en dehors des limites de la physique connue.

Et la matière régulière? C’est une toute autre bouilloire de particules. Dans l’univers extrêmement ancien (quand c’était un deuxième vieil), les physiciens soupçonnent que la matière régulière était en parfait équilibre avec l’antimatière (qui est la même chose que la matière normale mais avec une charge électrique opposée). Nous soupçonnons cela même parce que nous voyons ce genre de symétrie se jouer aujourd’hui dans nos collisionneurs de particules, qui peuvent reproduire les conditions extrêmes de l’univers primitif: si vous avez une réaction à haute énergie qui génère de la matière régulière, elle a une chance égale de générant de l’antimatière à la place.

Mais à un moment donné (nous ne savons pas exactement quand, mais cela s’est probablement produit lorsque l’univers avait moins d’une minute), l’équilibre entre la matière et l’antimatière s’est déplacé et la matière régulière a inondé l’univers, reléguant l’antimatière à l’obscurité.

Ainsi, d’une part, nous avons un événement de rupture de symétrie massif qui a conduit à la matière régulière l’emportant sur l’antimatière. D’un autre côté, nous avons un événement complètement mystérieux qui a conduit la matière noire à devenir la forme dominante – mais pas super dominante – de la matière dans l’univers. Peut-être que ces deux processus sont liés, et la naissance de matière noire était liée à la victoire de la matière sur l’antimatière, propose la nouvelle étude.

Extraction de la pierre d’or

Dans l’étude, publiée en ligne le 29 décembre 2020 dans la base de données de pré-impression arXiv et pas encore évalué par les pairs, les chercheurs font cette affirmation en s’appuyant sur quelque chose appelé la symétrie du nombre de baryons. Les baryons sont toutes les particules constituées de quarks (comme les protons et les neutrons). le symétrie indique simplement que le nombre de baryons entrant dans une interaction doit être égal au nombre qui en sort. (Ils sont autorisés à changer d’identité, mais le nombre total doit être le même.) La même symétrie vaut pour les réactions impliquant des antiquarks.

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Cette symétrie règne dans toutes nos expériences dans l’univers actuel, mais elle a dû être violée dans le cosmos primitif – c’est ainsi que nous avons fini avec plus de matière que d’antimatière.

Et en physique, chaque fois qu’une symétrie de la nature est brisée, un nouveau type de particule, connu sous le nom de «boson de Goldstone», apparaît pour imposer la rupture de la symétrie. (Dans l’univers moderne, par exemple, le pion est une sorte de boson de Goldstone qui apparaît lorsqu’une symétrie de la force nucléaire forte est brisée.)

Peut-être que la matière noire est une sorte de boson de Goldstone, associée à la rupture de la symétrie du nombre de baryons dans le cosmos primitif, propose l’étude.

Coup de pied dans la boîte

Les chercheurs derrière l’idée l’appellent «le coup de pied». La symétrie du nombre de baryons n’est jamais rompue dans nos expériences, mais quelque chose d’excitant a dû se produire dans l’univers primitif. Ce fut un événement violent mais bref, étouffant presque toute l’antimatière. Et quel que soit le mélange exotique de conditions, la symétrie du nombre de baryons s’est brisée, permettant à un nouveau boson de Goldstone d’apparaître.

Ainsi, la pensée va, au cours de cet événement singulier, l’univers a été inondé de particules de matière noire. Mais alors, quelles que soient les conditions qui ont conduit à la rupture de la symétrie, ont pris fin et l’univers est revenu à la normale. À ce moment-là, cependant, il était trop tard; la matière noire – et tout le reste de la matière – est restée.

Ainsi, après cette première minute épique de l’histoire de l’univers, une fois que la symétrie est revenue dans l’univers, la matière noire a été reléguée dans l’ombre, pour ne plus jamais interagir avec la matière normale.

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Et la raison pour laquelle il y a (très grosso modo) la même quantité de matière noire et de matière régulière est qu’elles étaient liées, selon l’étude. Le nouveau modèle ne prédit pas la répartition exacte 80/20 entre la matière noire et la matière normale. Mais cela suggère que la raison pour laquelle la matière noire et la matière normale sont dans un équilibre à peu près égal est parce qu’elles ont leurs origines dans le même événement.

C’est une idée très propre et intrigante, mais elle n’explique toujours pas exactement comment cette rupture de symétrie précoce a eu lieu. Mais c’est pour un autre article.

Publié à l’origine sur 45Secondes.fr.

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