The key to why the universe exists may lie in an 1800s knot idea science once dismissed
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La clé de l'existence de l'univers réside peut-être dans une idée de nœud datant du XIXe siècle, autrefois rejetée par la science.
Par Mikas Matsuzawa, Université d'Hiroshima
Édité par Sadie Harley, relu par Robert Egan
Notes de la rédaction
Ce modèle suggère une brève « ère dominée par les nœuds », où ces champs énergétiques enchevêtrés ont pris le pas sur tout le reste, un scénario qui pourrait être exploré grâce aux signaux d'ondes gravitationnelles. Crédit : Muneto Nitta
En 1867, Lord Kelvin imaginait les atomes comme des nœuds dans l'éther. Cette idée fut rapidement réfutée. Les atomes se révélèrent être tout autre chose. Mais cette vision, abandonnée, pourrait bien détenir la clé de l'existence de l'univers.
Des physiciens japonais ont démontré pour la première fois que les nœuds peuvent apparaître dans un cadre réaliste de physique des particules, qui aborde également des énigmes complexes telles que la masse des neutrinos, la matière noire et le problème de la force de collision forte.
Leurs conclusions, publiées dans Physical Review Letters, suggèrent que ces « nœuds cosmiques » auraient pu se former et dominer brièvement l'univers naissant et turbulent, s'effondrant de manière à favoriser la matière au détriment de l'antimatière et laissant derrière eux un bourdonnement unique dans l'espace-temps que les futurs détecteurs pourraient écouter – une rareté pour un mystère de physique notoirement difficile à sonder.
« Cette étude aborde l'un des mystères les plus fondamentaux de la physique : pourquoi notre univers est-il constitué de matière et non d'antimatière », a déclaré Muneto Nitta, auteur correspondant de l'étude et professeur (nommé spécialement) à l'Institut international pour le développement durable de l'Université d'Hiroshima, spécialisé dans la métamatière chirale nouée (WPI-SKCM2), au Japon.
« Cette question est importante car elle touche directement à la raison même de l'existence des étoiles, des galaxies et de nous-mêmes.»
L'antimatière manquante de l'univers
Le Big Bang aurait dû produire des quantités égales de matière et d'antimatière, chaque particule détruisant sa jumelle jusqu'à ce qu'il ne reste que le rayonnement. Pourtant, l'univers est majoritairement constitué de matière, avec quasiment aucune antimatière visible. Les calculs montrent que tout ce que nous observons aujourd'hui, des atomes aux galaxies, existe grâce à la survie d'une seule particule de matière supplémentaire pour chaque milliard de paires matière-antimatière.
Le Modèle standard de la physique des particules, malgré son extraordinaire succès, ne peut expliquer cet écart. Ses prédictions sont loin d'être exactes. Expliquer l'origine de ce minuscule excès de matière, appelé baryogenèse, est l'une des plus grandes énigmes non résolues de la physique.
Nitta et Minoru Eto, du WPI-SKCM2 de l'Université d'Hiroshima, un institut créé pour étudier les phénomènes chiraux et noués à différentes échelles et disciplines, en collaboration avec Yu Hamada du Deutsches Elektronen-Synchrotron en Allemagne, pensent avoir trouvé une réponse cachée.
En combinant une symétrie baryonique moins leptonique (B-L) avec la symétrie de Peccei-Quinn (PQ), l'équipe a démontré que des nœuds pouvaient se former naturellement dans l'univers primordial et générer le surplus observé.
Eto est également professeur à l'Université de Yamagata, et les trois chercheurs sont affiliés à l'Université Keio au Japon.
Particules fantômes
Ces deux extensions du Modèle standard, étudiées depuis longtemps, comblent certaines de ses lacunes les plus énigmatiques. La symétrie PQ résout le problème de la CP forte, l'énigme de la non-détection expérimentale du minuscule moment dipolaire électrique prédit par la théorie pour le neutron, et introduit ainsi l'axion, un candidat majeur à la matière noire. La symétrie B–L, quant à elle, explique pourquoi les neutrinos, particules fantomatiques capables de traverser des planètes entières sans être détectées, ont une masse.
Maintenir la symétrie PQ globale, plutôt que de la jauger, préserve la physique délicate des axions qui résout le problème de la CP forte. En physique, « jauger » une symétrie signifie la laisser agir librement en tout point de l'espace-temps. Mais cette liberté locale a un prix. Pour préserver sa cohérence, la nature doit introduire un nouveau porteur de force afin de lisser les équations.
En mesurant la symétrie B–L, les chercheurs ont non seulement garanti la présence de neutrinos lourds droitiers – nécessaires pour maintenir la théorie exempte d'anomalies et au cœur des principaux modèles de baryogenèse – mais ont également introduit un comportement supraconducteur qui a fourni l'ossature magnétique de certains des premiers nœuds de l'univers.
Reliques cosmiques sinueuses
Lorsque l'univers s'est refroidi après le Big Bang, ses symétries se sont fracturées par une série de transitions de phase et, à l'instar de la glace gelant de manière inégale, ont pu laisser derrière elles des défauts filiformes appelés cordes cosmiques, d'hypothétiques fissures dans l'espace-temps qui, selon de nombreux cosmologistes, pourraient encore exister. Bien que plus fine qu'un proton, une corde de quelques centimètres pourrait peser plus lourd que des montagnes.
À mesure que le cosmos s'est étendu, un réseau sinueuse de ces filaments se serait étiré et emmêlé, portant les empreintes des conditions primordiales qui y prévalaient autrefois.
La rupture de la symétrie B-L a produit des chaînes de tubes de flux magnétique, tandis que la symétrie PQ a donné naissance à des vortex superfluides sans flux. Leur contraste même les rend compatibles.
Le tube de flux B-L offre au couplage de Chern-Simons du vortex superfluide PQ un point d'ancrage. Ce couplage permet à son tour au P
« Personne n'avait étudié ces deux symétries simultanément », a déclaré Nitta. « Ce fut une chance pour nous. En les combinant, nous avons découvert un nœud stable. »
Représentations 3D des solutions numériques pour les solitons en forme de nœud. Crédit : Muneto Nitta/Université d'Hiroshima
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Franchissement de barrières fantomatiques
Alors que le rayonnement perdait de l'énergie à mesure que ses ondes s'étiraient avec l'espace-temps, les nœuds se comportaient comme de la matière, s'estompant beaucoup plus lentement. Ils ont rapidement pris le dessus sur tout le reste, inaugurant une ère dominée par les nœuds, où leur densité d'énergie, et non celle du rayonnement, régnait sur le cosmos. Mais ce règne n'a pas duré.
Les nœuds se sont finalement démêlés par effet tunnel quantique, un processus fantomatique dans lequel les particules traversent les barrières d'énergie comme si elles n'existaient pas.
Leur effondrement a généré des neutrinos droits lourds, une conséquence intrinsèque de la symétrie B–L intégrée à leur structure. Ces particules fantomatiques massives se sont ensuite désintégrées en formes plus légères et plus stables avec un léger biais en faveur de la matière par rapport à l'antimatière, nous donnant l'univers que nous connaissons aujourd'hui.
« En gros, cet effondrement produit beaucoup de particules, notamment les neutrinos droits, les bosons scalaires et le boson de jauge, comme une pluie de particules », explique Hamada, co-auteur de l'étude.
« Parmi elles, les neutrinos droits sont spéciaux car leur désintégration peut naturellement générer le déséquilibre entre matière et antimatière. Ces neutrinos lourds se désintègrent en particules plus légères, telles que les électrons et les photons, créant une cascade secondaire qui réchauffe l'univers. »
« En ce sens », a-t-il ajouté, « ils sont les parents de toute la matière de l'univers actuel, y compris nos propres corps, tandis que les nœuds peuvent être considérés comme nos grands-parents. »
Pour conclure
Lorsque les chercheurs ont suivi les calculs encodés dans leur modèle – l'efficacité avec laquelle les nœuds produisaient des neutrinos droits, la masse de ces neutrinos et la température du cosmos après leur désintégration – le déséquilibre matière-antimatière que nous observons aujourd'hui est apparu naturellement dans l'équation. En réarrangeant la formule et en y intégrant une masse réaliste de 1012 giga-électronvolts (GeV) pour les neutrinos lourds de chiralité droite, et en supposant que les nœuds ont canalisé la majeure partie de leur énergie stockée vers la création de ces particules, le modèle a naturellement abouti à une température de réchauffement de 100 GeV.
Cette température marque, par coïncidence, la dernière fenêtre temporelle de l'univers pour la création de matière. À une température inférieure, les réactions électrofaibles qui convertissent un déséquilibre de neutrinos en matière s'arrêteraient définitivement.
Un réchauffement à 100 GeV aurait également modifié le spectre des ondes gravitationnelles de l'univers, le décalant vers les hautes fréquences. De futurs observatoires tels que l'antenne spatiale interférométrique laser (LISA) en Europe, Cosmic Explorer aux États-Unis et l'observatoire d'ondes gravitationnelles interférométriques à décahertz (DECIGO) au Japon pourraient un jour détecter ce subtil changement de fréquence.
« Les cordes cosmiques sont une sorte de soliton topologique, des objets définis par des quantités qui restent inchangées, quelle que soit la manière dont on les tord ou les étire », a déclaré Eto.
« Cette propriété garantit non seulement leur stabilité, mais signifie également que notre résultat n'est pas lié aux spécificités du modèle. Bien que ces travaux soient encore théoriques, la topologie sous-jacente ne change pas, et nous considérons donc cela comme une étape
The key to why the universe exists may lie in an 1800s knot idea science once dismissed
importante vers de futurs développements. »
Alors que Kelvin avait initialement émis l'hypothèse que les nœuds étaient les éléments constitutifs fondamentaux de la matière, les chercheurs affirment que leurs découvertes « fournissent, pour la première fois, un modèle de physique des particules réaliste dans lequel les nœuds pourraient jouer un rôle crucial dans l'origine de la matière ».
« L'étape suivante consiste à affiner les modèles théoriques et les simulations afin de mieux prédire la formation et la désintégration de ces nœuds, et de relier leurs signatures aux signaux observationnels », a déclaré Nitta.
« En particulier, les prochaines expériences sur les ondes gravitationnelles telles que LISA, Cosmic Explorer et DECIGO pourront vérifier si l'univers a réellement traversé une ère dominée par les nœuds. »
Les chercheurs espèrent déterminer si les nœuds ont été essentiels à l'origine de la matière et, ce faisant, reconstituer une histoire plus complète des débuts de l'univers.
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RESUME
a clé de l'existence de l'univers pourrait résider dans une théorie des nœuds datant du XIXe siècle, autrefois rejetée par la science.
Un modèle théorique montre que des solitons stables en forme de nœuds auraient pu se former dans l'univers primordial grâce à l'interaction des a clé de l'existence de l'univers pourrait résider dans une théorie des nœuds datant du XIXe siècle, autrefois rejetée par la science.
Un modèle théorique montre que des solitons stables en forme de nœuds auraient pu se former dans l'univers primordial grâce à l'interaction des symétries B–L et de Peccei–Quinn. La désintégration de ces nœuds générerait des neutrinos lourds de chiralité droite, dont la désintégration ultérieure pourrait naturellement expliquer l'asymétrie matière-antimatière observée. Ce scénario prédit des signatures d'ondes gravitationnelles potentiellement détectables par les futurs observatoires.La désintégration de ces nœuds générerait des neutrinos lourds de chiralité droite, dont la désintégration ultérieure pourrait naturellement expliquer l'asymétrie matière-antimatière observée. Ce scénario prédit des signatures d'ondes gravitationnelles potentiellement détectables par les futurs observatoires.
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COMMENTAIRES
1/a-t-il une raison à l'existence de l'univers ?
Quelle est l'idée scientifique selon laquelle il y a eu une explosion gigantesque et que l'univers a non seulement été créé, mais continue également de s'étendre progressivement ?
2/Pour mes élèves :la theorie des noeuds date du 19 ème siecle lorqu' on cherchait a expliquer la strutures des éléléments et l 'électromagnetisme
3/Ce mdèle de départ d 'nivers
primordial explicable
par l'interaction des symétries B-L et Peccei-Quinn et les théories des noeuds est trés interessant mais exige des verifications expérimentales et on vera si on arrive à en dtecter grace a LISA par exzmple
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More information: Minoru Eto et al, Tying Knots in Particle Physics, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/s3vd-brsn
Journal information: Physical Review Letters
Provided by Hiroshima University
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