Introduction
Les physiciens pensent avoir détecté une asymétrie frappante dans la disposition des galaxies dans le ciel. Si elle est confirmée, la découverte indiquerait les caractéristiques des lois fondamentales inconnues qui ont fonctionné pendant le Big Bang.
"Si ce résultat est réel, quelqu'un va recevoir un prix Nobel", a déclaré Marc Kamionkowski, un physicien de l'Université Johns Hopkins qui n'a pas participé à l'analyse.
Comme s'ils jouaient à un jeu cosmique de Connect the Dots, les chercheurs ont tracé des lignes entre des ensembles de quatre galaxies, construisant des formes à quatre coins appelées tétraèdres. Après avoir construit tous les tétraèdres possibles à partir d'un catalogue d'un million de galaxies, ils ont découvert que les tétraèdres orientés dans un sens étaient plus nombreux que leurs images miroir.
Un indice du déséquilibre entre les tétraèdres et leurs images miroir a d'abord été rapporté by Olivier Philcox, astrophysicien à l'Université de Columbia à New York, dans un article publié dans Examen physique D en septembre. Dans une analyse indépendante menée simultanément et qui fait actuellement l'objet d'un examen par les pairs, Jiamin Hou ainsi que Zachary Slepian de l'Université de Floride et Robert Cahn du Laboratoire national Lawrence de Berkeley détecté l'asymétrie avec un niveau de certitude statistique que les physiciens considèrent généralement comme définitif.
Mais avec une telle découverte à succès - et qui est toujours à l'étude - les experts disent que la prudence est de mise.
"Il n'y a aucune raison évidente qu'ils aient fait une erreur", a déclaré Shaun Hotchkiss, cosmologiste à l'Université d'Auckland. "Cela ne veut pas dire qu'il n'y a pas d'erreur."
Le déséquilibre putatif viole une symétrie appelée « parité », une équivalence de gauche et de droite. Si l'observation résiste à l'examen, les physiciens pensent qu'elle doit refléter un ingrédient inconnu, violant la parité, dans le processus primordial qui a semé les graines de toute la structure qui s'est développée dans notre univers.
"C'est un résultat incroyable - vraiment impressionnant", a déclaré Kamionkowski. « Est-ce que je le crois ? Je vais attendre pour vraiment célébrer.
Univers gaucher
La parité était autrefois une symétrie chérie de la physique. Mais ensuite, en 1957, les expériences de désintégration nucléaire du physicien sino-américain Chien-Shiung Wu révélé que notre univers a en effet une légèreté: les particules subatomiques impliquées dans la force nucléaire faible, qui provoque la désintégration nucléaire, sont toujours magnétiquement orientées dans la direction opposée à celle dans laquelle elles se déplacent, de sorte qu'elles spiralent comme les fils d'un gauche -vis à main. Les particules à image miroir - celles qui ressemblent à des vis à droite - ne ressentent pas la force faible.
La révélation de Wu était choquante. "Nous sommes tous plutôt secoués par la mort de notre ami bien-aimé, la parité", a écrit le physicien John Blatt dans une lettre à Wolfgang Pauli.
La gaucherie de la force faible a des effets subtils qui n'auraient pas pu influencer le cosmos à l'échelle galactique. Mais depuis la découverte de Wu, les physiciens ont cherché d'autres façons dont l'univers diffère de son image miroir.
Si, par exemple, une violation de la parité primordiale était en vigueur lorsque l'univers en était à ses balbutiements, cela aurait pu imprimer une torsion sur la structure du cosmos.
Au moment de la naissance de l'univers ou presque, on pense qu'un champ connu sous le nom d'inflaton a imprégné l'espace. Un milieu bouillonnant et bouillant où les particules d'inflaton bouillonnaient et disparaissaient continuellement, le champ d'inflaton était également répulsif; pendant la brève période où il a pu exister, il aurait provoqué une expansion rapide de notre univers à 100 billions de billions de fois sa taille d'origine. Toutes ces fluctuations quantiques de particules dans le champ d'inflaton ont été projetées vers l'extérieur et gelées dans le cosmos, devenant des variations de la densité de la matière. Les poches plus denses ont continué à fusionner gravitationnellement pour produire les galaxies et la structure à grande échelle que nous voyons aujourd'hui.
En 1999, des chercheurs dont Kamionkowski considéré que se passerait-il si plus d'un champ était présent avant cette explosion. Le champ d'inflaton aurait pu interagir avec un autre champ qui pourrait produire des particules droites et gauches. Si l'inflaton traitait les particules droites différemment des particules gauches, alors il aurait pu créer préférentiellement des particules d'une main plutôt que de l'autre. Ce soi-disant couplage Chern-Simons aurait imprégné les premières fluctuations quantiques d'une latéralité préférentielle, qui aurait évolué vers un déséquilibre des arrangements tétraédriques gauchers et droitiers des galaxies.
Quant à ce que pourrait être le champ supplémentaire, une possibilité est le champ gravitationnel. Dans ce scénario, une interaction Chern-Simons violant la parité se produirait entre les particules d'inflaton et les gravitons - les unités quantiques de gravité - qui seraient apparues dans le champ gravitationnel pendant l'inflation. Une telle interaction aurait créé une latéralité dans les variations de densité de l'univers primitif et, par conséquent, dans la structure à grande échelle d'aujourd'hui.
Introduction
En 2006, Stéphon Alexandre, un physicien maintenant à l'Université Brown, suggéré que la gravité de Chern-Simons pourrait aussi potentiellement résoudre l'un des plus grands mystères de la cosmologie : pourquoi notre univers contient plus de matière que d'antimatière. Il a supposé que l'interaction Chern-Simons aurait pu produire une abondance relative de gravitons gauchers, qui à leur tour créeraient préférentiellement de la matière gaucher plutôt que de l'antimatière droite.
L'idée d'Alexandre est restée relativement obscure pendant des années. Lorsqu'il a entendu parler des nouvelles découvertes, il a déclaré: "C'était une grande surprise".
Tétraèdres dans le ciel
Cahn pensait que la possibilité de résoudre le puzzle de l'asymétrie matière-antimatière avec violation de la parité dans l'univers primitif était "spéculative, mais aussi provocatrice". En 2019, il a décidé de rechercher une violation de la parité dans un catalogue de galaxies du Sloan Digital Sky Survey. Il ne s'attendait pas à trouver quoi que ce soit mais pensait que cela valait la peine d'être vérifié.
Pour tester si la distribution des galaxies respecte ou viole la parité, lui et ses collaborateurs savaient qu'ils devaient étudier les arrangements tétraédriques de quatre galaxies. En effet, le tétraèdre est la forme tridimensionnelle la plus simple et seuls les objets 3D ont une chance de violer la parité. Pour comprendre cela, considérez vos mains. Parce que les mains sont en 3D, il n'y a aucun moyen de faire pivoter celle de gauche pour la faire ressembler à celle de droite. Retournez votre main gauche de manière à ce que les pouces des deux mains soient sur la gauche et que vos mains soient toujours différentes - les paumes sont tournées dans des sens opposés. En revanche, si vous tracez une main gauche sur une feuille de papier et découpez l'image 2D, retourner la découpe la fait ressembler à une main droite. La découpe et son image miroir sont indiscernables.
En 2020, Slepian et Cahn ont trouvé un moyen de définir la « latéralité » d'un arrangement tétraédrique de galaxies afin de comparer le nombre de gauchers et de droitiers dans le ciel. Ils ont d'abord pris une galaxie et ont regardé les distances à trois autres galaxies. Si les distances augmentaient dans le sens des aiguilles d'une montre comme une vis à droite, ils appelaient le tétraèdre droitier. Si les distances augmentaient dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, il était gaucher.
Pour déterminer si l'univers dans son ensemble a une latéralité préférée, ils ont dû répéter l'analyse pour tous les tétraèdres construits à partir de leur base de données d'un million de galaxies. Il existe près d'un billion de billions de tels tétraèdres - une liste insoluble à gérer un à la fois. Mais une astuce de factorisation développée en travail antérieur sur un problème différent a permis aux chercheurs d'examiner la parité des tétraèdres de manière plus holistique : plutôt que d'assembler un tétraèdre à la fois et de déterminer sa parité, ils pourraient prendre chaque galaxie à tour de rôle et regrouper toutes les autres galaxies en fonction de leurs distances par rapport à cette galaxie, créant des couches comme les couches d'un oignon. En exprimant les positions relatives des galaxies dans chaque couche en termes de fonctions mathématiques des angles appelées harmoniques sphériques, ils pourraient systématiquement combiner des ensembles de trois couches pour former des tétraèdres collectifs.
Les chercheurs ont ensuite comparé les résultats à leurs attentes basées sur les lois de la physique préservant la parité. Hou a dirigé cette étape, analysant de faux catalogues de galaxies qui avaient été générés en simulant l'évolution de l'univers à partir de minuscules variations de densité préservant la parité. À partir de ces faux catalogues, Hou et ses collègues ont pu déterminer comment le décompte des tétraèdres gauchers et droitiers varie de manière aléatoire, même dans un monde à symétrie miroir.
L'équipe a trouvé un niveau de violation de parité "sept sigma" dans les données réelles, ce qui signifie que le déséquilibre entre les tétraèdres gauchers et droitiers était sept fois plus important que ce que l'on pouvait attendre du hasard et d'autres sources d'erreur imaginables.
Kamionkowski a qualifié « d'incroyable qu'ils aient pu faire cela », ajoutant que « techniquement, c'est absolument stupéfiant. C'est une analyse vraiment, vraiment, vraiment compliquée.
Philcox a utilisé des méthodes similaires (et avait co-écrit des articles antérieurs proposant une telle analyse avec Hou, Slepian et Cahn), mais il a fait des choix différents - par exemple, en regroupant les galaxies en moins de couches que Hou et ses collègues, et en omettant certaines problématiques. tétraèdres de l'analyse - et a donc trouvé une violation plus modeste de 2.9 sigma de la parité. Les chercheurs étudient maintenant les différences entre leurs analyses. Même après des efforts considérables pour comprendre les données, toutes les parties restent prudentes.
Preuves corroborantes
La découverte surprenante fait allusion à une nouvelle physique qui pourrait potentiellement répondre à des questions de longue date sur l'univers. Mais les travaux ne font que commencer.
Les physiciens doivent d'abord vérifier (ou falsifier) l'observation. De nouvelles enquêtes ambitieuses sur les galaxies sur lesquelles répéter l'analyse sont déjà en cours. L'enquête en cours sur l'instrument spectroscopique à énergie noire, par exemple, a enregistré jusqu'à présent 14 millions de galaxies et en contiendra plus de 30 millions lorsqu'elle sera terminée. "Cela nous donnera l'occasion d'examiner cela de manière beaucoup plus détaillée avec de bien meilleures statistiques", a déclaré Cahn.
Introduction
De plus, si le signal violant la parité est réel, il pourrait apparaître dans des données autres que la distribution des galaxies. La lumière la plus ancienne du ciel, par exemple - un bain de rayonnement connu sous le nom de fond cosmique micro-ondes, résidu de l'univers primitif - fournit notre premier instantané des variations spatiales dans le cosmos. Le motif tacheté de cette lumière devrait contenir les mêmes corrélations violant la parité que les galaxies qui se sont formées plus tard. Les physiciens disent qu'il devrait être possible de trouver un tel signal dans la lumière.
Un autre endroit à regarder sera le modèle d'ondes gravitationnelles qui peuvent avoir été générées pendant l'inflation, appelé le fond d'ondes gravitationnelles stochastiques. Ces ondulations en forme de tire-bouchon dans le tissu espace-temps peuvent être à droite ou à gauche, et dans un monde préservant la parité, elles contiendraient des quantités égales de chacune. Donc, si les physiciens parviennent à mesurer ce fond et constatent que l'unilatéralité est favorisée, ce serait une vérification indépendante et sans ambiguïté de la physique violant la parité dans l'univers primitif.
Alors que la recherche de preuves corroborantes commence, les théoriciens étudieront les modèles d'inflation qui auraient pu produire le signal. Avec Giovanni Cabasse, physicien théoricien à l'Institute for Advanced Study de Princeton, New Jersey, Philcox a récemment utilisé sa mesure pour tester une multitude de modèles violant la parité d'inflation, y compris ceux de type Chern-Simons. (Ils ne peuvent pas encore dire avec certitude quel modèle, le cas échéant, est correct.)
Alexander a également recentré ses efforts sur la compréhension de la gravité de Chern-Simons. Avec des collaborateurs dont Kamionkowski et Cyril Créque-Sarbinowski du Centre d'astrophysique computationnelle du Flatiron Institute, Alexander a commencé à travailler sur des détails subtils sur la façon dont la gravité de Chern-Simons dans l'univers primordial influencerait la distribution des galaxies d'aujourd'hui.
"J'étais un peu comme le soldat solitaire poussant ce truc pendant un moment", a-t-il déclaré. "C'est bien de voir des gens s'y intéresser."
Note de l'éditeur : Le Flatiron Institute est financé par la Fondation Simons, qui soutient également ce magazine éditorial indépendant. De plus, Oliver Philcox reçoit un financement de la Fondation Simons.
