Une particule oubliée pourrait expliquer l’existence de la matière dans l’univers
La question de savoir pourquoi l’univers contient de la matière plutôt que rien est l’une des énigmes les plus fondamentales de la physique. Les scientifiques pensent que la matière et l’antimatière ont été produites en quantités quasiment égales au début de l’univers.
Leur rencontre entraînerait une annihilation et la libération d’énergie. Si elles avaient existé en quantités parfaitement égales, la quasi-totalité de la matière aurait disparu, ne laissant aucune matière pour former les étoiles, les planètes ou la vie.
Des chercheurs de l’Université de Southampton et de l’Institut indien de technologie de Kanpur pensent avoir trouvé un élément important de la réponse. Leur explication implique un parent peu connu du neutrino, une particule extrêmement légère qui interagit rarement avec la matière ordinaire.
L’équipe s’est concentrée sur un type de particule appelé « neutrino lourd découplé ». Contrairement aux neutrinos ordinaires, ce parent hypothétique plus lourd a généralement été considéré comme trop faiblement lié aux autres particules pour influencer significativement l’univers.
Cependant, les chercheurs ont découvert que sa durée de vie exceptionnellement longue aurait pu la rendre bien plus importante qu’on ne le pensait auparavant. Selon leurs calculs, cette particule a pu survivre suffisamment longtemps pour dominer temporairement la densité énergétique de l’univers lorsque le cosmos s’est refroidi après le Big Bang.
Cette brève période de domination aurait pu modifier l’évolution de l’univers primitif, influençant les conditions qui ont permis à la matière de surpasser l’antimatière.
"Ce neutrino lourd découplé a longtemps été considéré comme un détail insignifiant en physique des particules », a expliqué le Dr Rishav Roshan de l’Université de Southampton, co-auteur de l’étude.
« Cependant, il se décompose incroyablement lentement. Au fur et à mesure que le cosmos se refroidissait après le Big Bang, cette particule a vécu assez longtemps pour prendre temporairement le contrôle de la densité énergétique de l’univers et déclencher une période dominée par la matière. »
Les résultats ont été publiés dans *Physical Review Letters*, un journal scientifique de l’American Physical Society.
Les tentatives précédentes pour expliquer pourquoi la matière a prévalu sur l’antimatière ont généralement laissé de côté le neutrino lourd découplé. Étant donné qu’il interagit si faiblement avec les autres particules, les scientifiques ont supposé qu’il aurait peu d’influence sur les processus responsables du déséquilibre.
La nouvelle recherche remet en question cette hypothèse. L’équipe a découvert qu’une particule même avec des interactions extrêmement faibles pouvait indirectement affecter les conditions dans lesquelles la matière a acquis son avantage crucial.
Ce déséquilibre, connu sous le nom d’asymétrie matière-antimatière, est essentiel pour comprendre notre existence. Pour des raisons que les physiciens tentent encore d’expliquer, l’univers primitif s’est retrouvé avec légèrement plus de matière que d’antimatière. Cette petite différence a permis à une partie de la matière de subsister après que la plupart des particules et de leurs antiparticules se soient annihilées.
« Le fait que nous existions prouve qu’un déséquilibre entre la matière et l’antimatière s’est produit », a ajouté le Dr Roshan.
« Le neutrino lourd découplé a modifié la température dans l’univers primitif à laquelle les particules fondamentales - comme les électrons et autres leptons - interagissaient avec leurs antiparticules grâce à l’aide du boson de Higgs standard. »
Le boson de Higgs est une particule fondamentale associée au mécanisme qui donne à de nombreuses particules élémentaires leur masse. Dans le scénario proposé par les chercheurs, le neutrino lourd a modifié les conditions de température régissant les interactions importantes des particules impliquant le boson de Higgs.
En modifiant le moment où ces interactions se sont produites, la particule a pu influencer la façon dont le déséquilibre entre la matière et l’antimatière s’est développé. En d’autres termes, quelque chose qui était autrefois considéré comme insignifiant a peut-être contribué à déterminer pourquoi l’univers contient de la matière.
Les ondulations gravitationnelles anciennes pourraient révéler la réponse.
Le co-auteur de l’étude, le Dr Sudipta Show de l’Institut indien de technologie de Kanpur, a déclaré que les résultats suggèrent que la particule oubliée a pu modifier considérablement l’histoire de l’expansion de l’univers.
Il a ajouté : « Cela nous offre une nouvelle explication de la façon dont la matière a gagné. »
« Le changement spectaculaire dans l’expansion précoce du cosmos laisse des empreintes distinctes mais détectables des changements, par exemple sur les ondes gravitationnelles primordiales. »
Les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans le tissu de l’espace-temps. Les scientifiques pensent que les processus de l’univers très primitif ont pu générer des ondes gravitationnelles primordiales qui transportent des informations sur les conditions de cette époque lointaine.
Selon la nouvelle théorie, la domination temporaire du neutrino lourd pourrait avoir laissé des signatures reconnaissables dans ces anciens signaux. La détection de tels schémas pourrait éventuellement fournir un moyen d’étudier si la particule proposée a réellement influencé la plus ancienne évolution de l’univers.
Pour l’instant, l’explication reste théorique. Mais elle offre aux physiciens une nouvelle possibilité de résoudre l’un des mystères les plus profonds de la cosmologie : comment la matière a survécu alors que sa rencontre avec l’antimatière aurait pu laisser l’univers presque entièrement vide.