Des physiciens ont mis au point un nouveau modèle qui, selon eux, résout cinq des plus grandes questions sans réponse de la physique moderne, expliquant à la fois l’étrangeté de la matière noire, les oscillations des neutrinos, la baryogenèse, l’inflation cosmique et le problème du CP fort.
Le nouveau modèle, le modèle standard de la physique, et l’équipe qui l’a conçu affirment qu’il ne sera pas difficile à tester. Le modèle SMASH propose que nous n’ayons besoin que de six nouvelles particules pour réconcilier toutes ces lacunes dans le modèle standard de la physique
Le modèle a été mis au point par une équipe de physiciens français et allemands, qui affirment qu’il ne nécessite aucune modification majeure du modèle standard, mais seulement quelques ajouts.
Il est encore tôt, mais c’est une proposition plutôt cool, car d’autres modèles conçus pour expliquer les mystères de la mécanique quantique – comme la supersymétrie – nécessitent l’ajout de centaines de nouvelles particules dont nous n’avons jamais vu la trace.
SMASH, en revanche, n’en requiert que six : trois neutrinos, un fermion et un champ qui comprend deux particules. (En physique, un champ est une entité physique ou mathématique qui a une valeur pour chaque point de l’espace et du temps. Une particule est un état excité d’un champ)
Pour vous donner une idée de ce que sont ces cinq problèmes fondamentaux, nous allons les passer en revue, en commençant par la matière noire.
1. La matière noire
Il existe aujourd’hui des preuves irréfutables que 26 à 27 % de l’Univers est constitué d’un type de matière non identifiée. Bien que nous puissions détecter sa force gravitationnelle, cette matière inconnue ne semble pas émettre de lumière ou de rayonnement que nous puissions observer.
Malgré des années de recherche, nous n’avons toujours aucune idée de la nature de la matière noire, mais nous savons que sa présence est essentielle à la stabilité de l’Univers.
2. Les oscillations des neutrinos
L’année dernière, le prix Nobel de physique a été décerné à deux physiciens qui ont prouvé que les neutrinos pouvaient osciller entre des “saveurs”.
L’oscillation des neutrinos est un phénomène de mécanique quantique dans lequel un neutrino créé avec une saveur leptonique spécifique (comme un électron, un muon ou un tau) peut avoir une saveur différente par la suite.
Étant donné que seules les particules ayant une masse peuvent changer de saveur – ou osciller – les neutrinos doivent avoir une masse, ce qui pose un problème pour le modèle standard, car personne ne sait d’où provient réellement la masse des neutrinos.
Elle pourrait provenir du boson de Higgs, mais aussi d’une toute nouvelle particule qu’il nous reste à découvrir.
3. Baryogenèse
Ce problème majeur non résolu de la physique peut se résumer assez simplement : Pourquoi l’Univers observable contient-il plus de matière que d’énergie ?
Selon le modèle standard, le Big Bang aurait produit des quantités égales de matière et d’antimatière, et comme elles s’annihilent au contact l’une de l’autre, cela aurait dû conduire à un Univers sans particules – juste du rayonnement.
Le fait qu’il y ait beaucoup de particules dans l’Univers signifie évidemment que quelque chose ne va pas dans ce scénario, car comment peut-il y avoir autant de matière dans l’Univers aujourd’hui, mais presque pas d’antimatière ?
4. Inflation cosmique
On pense que, dans la fraction de seconde qui a suivi le Big Bang, l’Univers a connu une période d’expansion accélérée appelée inflation.
Bien que la plupart des physiciens acceptent la réalité de l’inflation cosmique, personne n’a été capable de comprendre le mécanisme exact responsable de l’expansion de l’Univers à une vitesse supérieure à celle de la lumière, passant de la taille subatomique à la taille d’une balle de golf presque instantanément.
Un champ hypothétique, appelé inflaton, a été proposé comme étant la principale cause de l’inflation, mais nous n’avons pas encore réussi à le détecter.
5. Le problème du CP fort
Décrit comme un “défaut grave du modèle standard”, le problème CP fort permet d’expliquer pourquoi il y a plus de matière que d’antimatière dans l’Univers, mais il apporte son lot de mystères non résolus.
Il s’agit d’une histoire particulièrement longue, mais en résumé, le problème CP fort décrit comment la violation CP – une rupture de la symétrie fondamentale de l’Univers – ne se produit pas dans la chromodynamique quantique (QCD), qui concerne les interactions entre les quarks et les gluons. Et personne n’a été capable de comprendre pourquoi.
Jusqu’à maintenant, peut-être, si le nouveau modèle s’avère correct.
La solution ?
Le modèle SMASH s’appuie sur un modèle proposé par le physicien Mikhail Shaposhnikov de l’École polytechnique fédérale de Lausanne en 2005, appelé modèle standard minimal du neutrino (ou νMSM).
À l’époque, il avait été suggéré que l’extension du modèle standard par trois neutrinos droitiers de certaines masses pourrait expliquer simultanément la matière noire et l’asymétrie baryonique de l’Univers, tout en étant compatible avec les expériences sur les oscillations des neutrinos.
Aujourd’hui, l’équipe dirigée par le physicien français Guillermo Ballesteros de l’Université Paris-Saclay affirme que nous pouvons ajouter ces trois neutrinos droitiers aux trois neutrinos existants dans le modèle standard, plus une particule subatomique appelée fermion triplet de couleur, pour résoudre les quatre premiers problèmes énumérés ci-dessus.
L’ajout d’un nouveau champ non identifié semble résoudre le cinquième problème, comme l’explique Shannon Hall pour New Scientist :
“SMASH ajoute un nouveau champ pour expliquer certains de ces problèmes de manière un peu différente. Ce champ comprend deux particules : l’axion, un candidat à la matière noire, et l’inflaton, la particule à l’origine de l’inflation.
En guise de conclusion, SMASH utilise le champ pour introduire la solution d’une cinquième énigme : le problème du CP fort.”
Selon l’équipe, le fait que leur hypothèse puisse être testée à l’aide de la prochaine génération d’accélérateurs de particules signifie qu’elle n’est pas hors du domaine du possible, et cela la rend plus convaincante que les autres solutions à ces problèmes qui ont été proposées dans le passé.
“La meilleure chose à propos de cette théorie est qu’elle peut être testée ou vérifiée dans les dix prochaines années environ”, a déclaré à Hall l’ un des membres de l’équipe, Andreas Ringwald, du synchrotron électronique allemand.
“On peut toujours inventer de nouvelles théories, mais si elles ne peuvent être testées que dans 100 ans, ou jamais, alors ce n’est pas de la vraie science mais de la méta-science.”
Il convient de noter que le modèle SMASH n’a pas encore été publié dans une revue à comité de lecture, et qu’il doit donc encore subir l’examen minutieux du monde de la physique des particules, mais il est désormais disponible sur le site de préimpression arXiv.org, de sorte que des physiciens indépendants ont la possibilité de le faire.
Cette découverte ne sera probablement pas la solution finale aux “cinq grandes questions” – la physique n’est jamais aussi tranchée – mais elle pourrait être le début de quelque chose d’extraordinaire.
Comme le dit Ringwald, “La bataille est ouverte”