Mesurer l'hélium dans des galaxies lointaines pourrait donner aux physiciens un aperçu de la raison pour laquelle l'univers existe

Republié par Platon

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Quand des physiciens théoriciens comme moi disent que nous étudions pourquoi l'univers existe, nous parlons comme des philosophes. Mais de nouvelles données recueillies par des chercheurs utilisant le Japon Télescope Subaru a révélé des idées sur cette question même.

Le Big Bang a lancé l'univers tel que nous le connaissons il y a 13.8 milliards d'années. De nombreuses théories en physique des particules suggèrent que pour toute la matière créée à la conception de l'univers, une quantité égale d'antimatière aurait dû être créée à ses côtés. L'antimatière, comme la matière, a une masse et occupe de l'espace. Cependant, les particules d'antimatière présentent les propriétés opposées de leurs particules de matière correspondantes.

Lorsque des morceaux de matière et d'antimatière entrent en collision, ils s'annihiler dans une puissante explosion, ne laissant que de l'énergie. La chose déroutante à propos des théories qui prédisent la création d'un équilibre égal de matière et d'antimatière est que si elles étaient vraies, les deux se seraient totalement anéanties, laissant l'univers vide. Il devait donc y avoir plus de matière que d'antimatière à la naissance de l'univers, car l'univers n'est pas vide ; c'est plein de choses faites de matière, comme des galaxies, des étoiles et des planètes. Un peu d'antimatière existe autour de nous, mais c'est très rare.

Comme étant une entreprise physicien travaillant sur des données Subaru, je suis intéressé par ce soi-disant problème d'asymétrie matière-antimatière. Dans notre étude récente, mes collaborateurs et moi avons découvert que la nouvelle mesure par le télescope de la quantité et du type d'hélium dans les galaxies lointaines pourrait offrir une solution à ce mystère de longue date.

Après le Big Bang

Dans les premières millisecondes après le Big Bang, l'univers était chaud, dense et plein de particules élémentaires comme les protons, les neutrons et les électrons nager dans un plasma. Également présents dans ce pool de particules étaient neutrinos, qui sont de très petites particules interagissant faiblement, et les antineutrinos, leurs homologues de l'antimatière.

Les physiciens croient qu'une seconde seulement après le Big Bang, les noyaux de lumière des éléments comme l'hydrogène et l'hélium a commencé à se former. Ce processus est connu sous le nom de Nucléosynthèse du Big Bang. Les noyaux formés étaient d'environ 75 % de noyaux d'hydrogène et 24 % de noyaux d'hélium, plus de petites quantités de noyaux plus lourds.

La communauté des physiciens théorie la plus largement acceptée sur la formation de ces noyaux nous apprend que les neutrinos et les antineutrinos ont joué un rôle fondamental dans la création des noyaux d'hélium, notamment.

La création d'hélium dans l'univers primitif s'est déroulée en deux étapes. Tout d'abord, neutrons et protons convertis de l'un à l'autre dans un série de processus impliquant des neutrinos et des antineutrinos. Lorsque l'univers s'est refroidi, ces processus se sont arrêtés et le rapport des protons aux neutrons a été fixé.

En tant que physiciens théoriciens, nous pouvons créer des modèles pour tester comment le rapport des protons aux neutrons dépend du nombre relatif de neutrinos et d'antineutrinos dans l'univers primitif. Si plus de neutrinos étaient présents, alors nos modèles montrent qu'il y aurait plus de protons et moins de neutrons.

Au fur et à mesure que l'univers se refroidissait, l'hydrogène, l'hélium et d'autres éléments formés à partir de ces protons et neutrons. L'hélium est composé de deux protons et de deux neutrons, et l'hydrogène n'est qu'un proton et aucun neutron. Ainsi, moins il y aurait de neutrons disponibles dans l'univers primitif, moins il y aurait de production d'hélium.

Parce que les noyaux se sont formés lors de la nucléosynthèse du Big Bang peut encore être observé aujourd'hui, les scientifiques peuvent déduire combien de neutrinos et d'antineutrinos étaient présents au début de l'univers. Pour ce faire, ils étudient spécifiquement les galaxies riches en éléments légers comme l'hydrogène et l'hélium.

Un diagramme montrant comment les protons et les neutrons forment des atomes d'hélium. — Dans une série de collisions de particules à haute énergie, des éléments comme l'hélium se forment dans l'univers primitif. Ici, D représente le deutérium, un isotope de l'hydrogène avec un proton et un neutron, et γ représente les photons, ou particules légères. Dans la série de réactions en chaîne illustrées, les protons et les neutrons fusionnent pour former du deutérium, puis ces noyaux de deutérium fusionnent pour former des noyaux d'hélium. Crédit image : Anne-Katherine Burns

Un indice dans l'hélium

L'année dernière, la collaboration Subaru, un groupe de scientifiques japonais travaillant sur le télescope Subaru, a publié des données sur 10 XNUMX galaxies bien au-delà du nôtre qui sont presque exclusivement constitués d'hydrogène et d'hélium.

Utiliser une technique qui permet aux chercheurs de distinguer différents éléments les uns des autres basé sur les longueurs d'onde de la lumière observés dans le télescope, les scientifiques de Subaru ont déterminé exactement la quantité d'hélium existant dans chacune de ces 10 galaxies. Surtout, ils ont trouvé moins d'hélium que ne le prévoyait la théorie précédemment acceptée.

Avec ce nouveau résultat, mes collaborateurs et moi avons travaillé à rebours pour trouver le nombre de neutrinos et antineutrinos nécessaire pour produire l'abondance d'hélium trouvée dans les données. Repensez à votre cours de mathématiques de neuvième année lorsqu'on vous a demandé de résoudre pour "X" dans une équation. Ce que mon équipe a fait était essentiellement la version la plus sophistiquée de cela, où notre "X" était le nombre de neutrinos ou d'antineutrinos.

La théorie précédemment acceptée prévoyait qu'il devrait y avoir le même nombre de neutrinos et d'antineutrinos dans l'univers primitif. Cependant, lorsque nous avons peaufiné cette théorie pour nous donner une prédiction qui correspondait au nouvel ensemble de données, nous avons trouvé que le nombre de neutrinos était supérieur au nombre d'antineutrinos.

Qu'est-ce que tout cela signifie?

Cette analyse de nouvelles données de galaxies riches en hélium a une conséquence de grande portée : elle peut être utilisée pour expliquer l'asymétrie entre la matière et l'antimatière. Les données de Subaru nous dirigent directement vers une source de ce déséquilibre : les neutrinos. Dans cette étude, mes collaborateurs et moi avons prouvé que cette nouvelle mesure de l'hélium est cohérente avec le fait qu'il y avait plus de neutrinos que d'antineutrinos dans l'univers primitif. À travers processus de physique des particules connus et probables, l'asymétrie dans les neutrinos pourrait se propager en une asymétrie dans toute la matière.

Le résultat de notre étude est un type de résultat courant dans le monde de la physique théorique. Fondamentalement, nous avons découvert une manière viable de produire l'asymétrie matière-antimatière, mais cela ne signifie pas qu'elle a définitivement été produite de cette manière. Le fait que les données correspondent à notre théorie est un indice que la théorie que nous avons proposée pourrait être la bonne, mais ce fait à lui seul ne signifie pas qu'elle l'est.

Alors, ces minuscules petits neutrinos sont-ils la clé pour répondre à la question séculaire : « Pourquoi quelque chose existe-t-il ? » Selon cette nouvelle recherche, ils pourraient bien l'être.

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.

Crédit image: NASA