Mesurer la présence d’hélium dans des galaxies lointaines pourrait permettre aux physiciens de comprendre la raison d'être de l'univers

Lorsque les physiciens théoriques comme moi disent que nous étudions les raisons de l'existence de l'univers, nous passons pour des philosophes. Pourtant, de nouvelles données recueillies par des chercheurs utilisant le télescope japonais Subaru ont permis de répondre à cette question.

Le télescope japonais Subaru, situé sur le Mauna Kea à Hawaï.  Panoramio/Wikimedia Commons, CC BY-ND

Le Big Bang a donné le coup d'envoi à l'univers tel que nous le connaissons il y a 13,8 milliards d'années. De nombreuses théories de la physique des particules suggèrent que pour toute la matière créée lors de la conception de l'univers, une quantité égale d'antimatière aurait dû être créée en même temps. L'antimatière, comme la matière, a une masse et occupe de l'espace. Cependant, les particules d'antimatière présentent des propriétés opposées à celles des particules de matière correspondantes.

Lorsque des morceaux de matière et d'antimatière entrent en collision, ils s'annihilent dans une puissante explosion, ne laissant derrière eux que de l'énergie. Les théories qui prédisent la création d'un équilibre entre la matière et l'antimatière ont ceci d'étrange que si elles étaient vraies, les deux se seraient totalement annihilées, 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 : il est rempli d'éléments constitués de matière, comme les galaxies, les étoiles et les planètes. Il existe un peu d'antimatière autour de nous, mais elle est très rare.

En tant que physicien travaillant sur les données de Subaru, je m'intéresse à ce problème d'asymétrie matière-antimatière. Dans notre récente étude, mes collaborateurs et moi-même avons découvert que la nouvelle mesure du télescope concernant la quantité et le type d'hélium dans les galaxies lointaines pourrait apporter une solution à ce mystère de longue date.

Après le Big Bang

Dans les premières millisecondes qui ont suivi le Big Bang, l'univers était chaud, dense et plein de particules élémentaires comme les protons, les neutrons et les électrons qui nageaient dans un plasma. Dans ce bassin de particules se trouvaient également des neutrinos, de minuscules particules à faible interaction, et des antineutrinos, leurs homologues antimatière.

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

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

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

En tant que physiciens théoriques, nous pouvons créer des modèles pour tester la manière dont le rapport entre les protons et les neutrons dépend du nombre relatif de neutrinos et d'antineutrinos dans l'univers primitif. Si davantage de neutrinos étaient présents, 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 se sont formés à partir de ces protons et de ces neutrons. L'hélium est constitué de deux protons et de deux neutrons, tandis que l'hydrogène n'est constitué que d'un proton et d'aucun neutron. Par conséquent, moins il y a de neutrons disponibles dans l'univers primitif, moins il y a d'hélium produit.

Comme les noyaux formés lors de la nucléosynthèse du Big Bang peuvent encore être observés aujourd'hui, les scientifiques peuvent en déduire le nombre de neutrinos et d'antineutrinos présents au début de l'univers. Pour ce faire, ils examinent spécifiquement les galaxies riches en éléments légers tels que l'hydrogène et l'hélium.

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 galaxies très éloignées de la nôtre qui sont presque exclusivement composées d'hydrogène et d'hélium.

En utilisant une technique qui permet aux chercheurs de distinguer les différents éléments les uns des autres sur la base des longueurs d'onde de la lumière observée dans le télescope, les scientifiques de Subaru ont déterminé exactement la quantité d'hélium présente dans chacune de ces 10 galaxies. Il est important de noter qu'ils ont trouvé moins d'hélium que ne le prévoyait la théorie précédemment acceptée.

Forts de ce nouveau résultat, mes collaborateurs et moi-même avons travaillé à rebours pour trouver le nombre de neutrinos et d'antineutrinos nécessaires pour produire l'abondance d'hélium constatée dans les données. Pensez à votre cours de mathématiques de troisième où l'on vous demandait de résoudre "X" dans une équation. Ce que mon équipe a fait est essentiellement une version plus sophistiquée de cette équation, où notre "X" était le nombre de neutrinos ou d'antineutrinos.

La théorie précédemment acceptée prédisait qu'il devait y avoir le même nombre de neutrinos et d'antineutrinos dans l'univers primitif. Cependant, lorsque nous avons modifié cette théorie pour obtenir une prédiction correspondant aux nouvelles données, nous avons constaté que le nombre de neutrinos était supérieur au nombre d'antineutrinos.

Au cours d'une série de collisions de particules à haute énergie, des éléments comme l'hélium se sont formés au début de l'univers. Ici, D représente le deutérium, un isotope de l'hydrogène composé d'un proton et d'un neutron, et γ représente les photons, ou particules de lumière. Dans la série de réactions en chaîne illustrée, les protons et les neutrons fusionnent pour former du deutérium, puis ces noyaux de deutérium fusionnent pour former des noyaux d'hélium.

Qu'est-ce que cela signifie ?

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

Le résultat de notre étude est un type de résultat courant dans le monde de la physique théorique. En fait, nous avons découvert un moyen viable de produire l'asymétrie matière-antimatière, mais cela ne signifie pas qu'elle a 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 seul ne signifie pas qu'elle l'est.

Alors, ces minuscules neutrinos sont-ils la clé pour répondre à l'éternelle question : "Pourquoi existe-t-il quelque chose ?" D'après ces nouvelles recherches, il se pourrait bien que ce soit le cas.

La version originale de cet article a été publiée sur The Conversation.