Notre univers n’est pas censé exister – mais nous apprenons lentement pourquoi il existe

Vous connaissez probablement l’histoire suivante : il y a 13,8 milliards d’années, le Big Bang a conduit aux étoiles et aux galaxies, qui ont conduit aux planètes et à la vie, et finalement, à vous et moi. Mais il y a une lacune flagrante dans cette chronique, une ouverture si grande que la résoudre ébranlerait notre connaissance de la réalité.

« Si nous cueillons, en principe, les meilleures théories de la physique … nous devrions conclure que l’univers, tel que nous l’observons, ne peut pas exister », a déclaré Stefan Ulmer, physicien à l’expérience de symétrie Baryon Antibaryon dirigée par le RIKEN au Conseil européen. pour la recherche nucléaire.

Mais… ici, nous jouons à Wordle et payons des impôts, donc soit nos lois de la physique sont fausses, soit il nous manque des pièces massives du puzzle métaphysique.

Parmi l’armée de scientifiques à la recherche de ces pièces, Ulmer a passé des années à étudier le germe de la crise existentielle de notre univers : l’antimatière. Dans un article publié mercredi dans la revue Nature, il rapporte une mise à jour : l’antimatière ne réagit pas à la gravité différemment de la matière normale.

Ne vous inquiétez pas si ce dernier morceau a complètement volé au-dessus de votre tête, tout se mettra en place.

Tout d’abord, qu’est-ce que l’antimatière ?

Tout, du soleil à l’appareil sur lequel vous lisez cet article, est composé de la matière normale que nous connaissons et aimons, composée d’atomes construits avec des protons positifs et des électrons négatifs. Le Big Bang a donné lieu à toute cette affaire, et le reste appartient littéralement à l’histoire.

Voici la partie étrange : notre univers contient également une infime quantité d’antimatière, composée d’atomes construits avec négatif protons et positif électrons. C’est comme l’enfant rebelle du Big Bang.

Ces deux-là ont également une rupture. Lorsqu’ils entrent en contact, ils s’annihilent totalement à cause de leurs charges opposées. Même lorsque les scientifiques créent de l’antimatière pour des expériences, les particules rapides doivent rester dans le vide, car une particule d’antimatière dans un environnement normal de matière deviendrait immédiatement « pouf ».

Cette incompatibilité se résume à un énorme problème existentiel – et ce n’est pas seulement que nous ne pouvons pas rencontrer notre homologue antimatière un jour sans exploser.

Il aurait dû y avoir une guerre des particules

Les physiciens utilisent deux cadres principaux pour expliquer le comportement des particules : le modèle standard de la physique des particules et la théorie quantique relativiste des champs. Chacun est super solide en soi, et les combiner conduit à un résultat déroutant.

La matière et son ennemi juré sont les deux faces d’une même médaille.

« L’architecture de l’espace et du temps implique fondamentalement que la matière et l’antimatière sont, en principe, exactement symétriques », a déclaré Ulmer, « ce qui signifie qu’elles ont les mêmes masses, qu’elles ont des charges opposées, des moments magnétiques opposés et ainsi de suite. »

Si c’est vrai, le Big Bang aurait dû avoir 50/50 de chances de former l’un ou l’autre. Et si une distribution 50/50 s’était produite, l’antimatière et la matière auraient dû se détruire complètement. (Vous vous souvenez de la faille ?) Avec une telle guerre de particules, l’univers n’aurait pas quelconque matière. L’espace ne contiendrait ni soleil ni Terre, et manquerait sûrement d’humanité. Seule une sorte d’énergie restante aurait persisté après la bataille.

Mais le soleil, la Terre et les humains existent.

Pour une raison quelconque, l’univers présente plusieurs ordres de grandeur de plus de matière que d’antimatière, une énigme cosmique connue sous le nom d’asymétrie du baryon, l’homonyme du laboratoire d’Ulmer. L’antimatière générée par le Big Bang a-t-elle disparu ? Il n’y en a jamais eu pour commencer ?

« Nous ne comprenons pas l’origine de l’asymétrie de la matière et de l’antimatière », déclare simplement Ulmer.

La partie où il se réunit

Parce que la prédiction du modèle standard d’une distribution de type matière 50/50 repose sur le fait que les particules sont exactement symétriques, le mystère peut finalement être résolu si nous trouvons un moyen de briser le parallèle présumé.

« Si, disons, le proton était un peu plus lourd que l’antiproton, cela expliquerait immédiatement pourquoi il y a plus de matière que d’antimatière », a déclaré Ulmer. Cela expliquerait à peu près pourquoi l’univers existe.

Revenons aux résultats de l’étude d’Ulmer : la matière et l’antimatière réagissent à la gravité de la même manière, excluant certaines options sur le grand livre des violations possibles de la symétrie.

Ta-da, t’a dit que ça s’arrangerait.

Une symphonie de protons

L’expérience d’Ulmer a commencé avec un dispositif fascinant appelé piège de Penning, un petit engin métallique qui détecte la fréquence cyclotron d’une particule, ou la fréquence à laquelle quelque chose se déplace dans un champ magnétique.

Les chercheurs ont placé un antiproton produit en laboratoire à l’intérieur et ont mesuré sa fréquence cyclotron, puis ont fait sauter un ion hydrogène chargé négativement et ont mesuré le même paramètre. (Ulmer a utilisé un ion hydrogène chargé négativement, ou un atome avec un proton et deux électrons, comme représentant de la matière normale car il correspondait à la charge négative de l’antiproton).

Il est plus facile de penser à l’expérience en termes de musique.

Le système de micros du Penning trap, dit Ulmer, ressemble à ce qu’il y a dans une guitare électrique. « C’est, en ce sens, une expérience très musicale », a-t-il expliqué, étant lui-même guitariste.

« La gamme de fréquences est un peu différente, mais nous écoutons le son de ce qui n’existe pas dans l’univers », a-t-il ajouté. « Avec notre capacité d’écoute actuelle, [matter and antimatter] sonore identique. »

Les particules jouent la même mélodie, si vous voulez, ce qui signifie également qu’elles ont les mêmes notes de musique. Aka, les fréquences cyclotron de ces particules étaient les mêmes, tout comme bon nombre de leurs propriétés résultantes, telles que le rapport charge / masse. Tout de ces similitudes sont maintenant éliminées de la liste des violations possibles de la symétrie matière-antimatière.

L’espace comme laboratoire

Mais le but ultime des chercheurs était d’utiliser leurs données de fréquence de cyclotron et de voir si le chant de l’antimatière change parallèlement aux ajustements dans un champ gravitationnel. Plus précisément, ils ont testé si le principe d’équivalence faible d’Einstein – vrai pour la matière normale – fonctionne sur l’antimatière.

Le principe d’Einstein stipule que tout objet dans un champ gravitationnel se comporte indépendamment de ses propriétés intrinsèques. Par exemple, un piano et une plume tomberaient sur Terre avec la même accélération en l’absence de forces extérieures telles que le vent.

Intuitivement, nous pourrions supposer que les charges opposées de l’antimatière la forceraient à « tomber », ou au moins auraient une certaine variation de comportement.

Pour cette facette de l’expérience, Ulmer a profité de certains équipements de laboratoire cosmique : la Terre et le Soleil. « Alors que la Terre tourne autour du soleil sur une orbite elliptique », a déclaré Ulmer, « le potentiel gravitationnel dans notre laboratoire change en fonction du temps. »

Ainsi, lui et son équipe de recherche ont mesuré les fréquences cyclotron, c’est-à-dire les mélodies, à la fois de l’antiproton et des ions hydrogène négatifs à différents moments dans le temps. Après 24 000 comparaisons, ils ont conclu que les deux types de particules réagissaient de la même manière – avec une très, très grande certitude.

Voilà, le principe d’Einstein fonctionne sur l’antimatière. En fait, il ne tombe pas vers le haut.

« Nous continuerons à rendre le microscope de mieux en mieux pour être sûr », a déclaré Ulmer, et « si nous trouvons quelque chose d’inattendu dans ces expériences, cela changerait notre compréhension fondamentale des lois de la nature. »

Conséquences philosophiques de l’antimatière

Pour les besoins de la discussion, supposons que quelqu’un trouve enfin un écart entre l’antimatière et la matière. Qu’est-ce que cela pourrait signifier pour nous?

Violer la symétrie matière-antimatière signifierait violer un phénomène plus large appelé invariance CPT. C représente la charge, P la parité et T le temps. En un mot, la règle stipule que si l’une de ces choses était inversée, l’univers resterait fondamentalement le même. Si le temps reculait au lieu d’avancer, si tout était gaucher au lieu de droitier et, vous l’aurez deviné, si toute la matière avait la charge opposée, le monde ne changerait pas.

Si nous devions découvrir que l’antimatière n’est pas la même chose que la matière normale, C serait violé. Et si l’invariance CPT est violée, alors la causalité, disent les scientifiques, peut ne plus tenir. « Je pense que cela conduirait peut-être à un changement plus philosophique dans notre façon de penser », a déclaré Ulmer. « Comparable à ce qui s’est passé dans les années 1920 lorsque la mécanique quantique a été développée. »

Ajoutant, « jusqu’à ce moment-là, les gens pensaient que tout est déterministe. Dans la théorie quantique, les choses ne peuvent plus être déterministes par définition – donc cela change la façon dont les gens se comprennent. »

Encore plus déconcertant est la réalisation que parce que l’univers semble exister, nous savons déjà en quelque sorte que l’antimatière prépare quelque chose. Dans un sens, nous savons déjà que nous devrons ajuster notre perspective de la réalité.

Nous attendons juste le bon moment.