dimanche 23 décembre 2018

Un nouveau modèle cosmologique : symétrie CPT au Big Bang


Un nouveau modèle cosmologique vient d'être proposé par des physiciens du Perimeter Institute for Theoretical Physics : l'existence d'un Univers miroir au nôtre peuplé d'antimatière et remontant le temps. Sa force réside non seulement dans une certaine élégance, avec le retour de la symétrie fondamentale CPT mais aussi dans l'explication évidente de la présence de matière et l'absence d'antimatière dans notre Univers. La seule nouvelle physique que le modèle introduit est une nouvelle espèce de neutrinos, stériles et de très grande masse, qui est à même d'expliquer la matière noire...




Latham Boyle, Kieran Finn, et Neil Turok publient leur théorie dans la prestigieuse revue Physical Review Letters. Notre Univers, avec son expansion spatiale, sa flèche du temps toujours orientée dans le même sens et sa composition en matière semble violer une symétrie fondamentale, la symétrie CPT (Charge Parité Temps) qui dit que les lois physiques doivent être inchangées lorsque l'on inverse le temps, l'espace et les propriétés des particules. Boyle et ses collègues en réfléchissant à cette particularité de l'Univers dans son ensemble en sont venus à imaginer que le Big Bang était le point de départ non seulement de notre Univers, mais aussi d'un anti-univers symétrique, composé exclusivement d'antimatière, et avec un temps s'écoulant dans l'autre sens. Ce modèle symétrique par CPT s'avère en outre une alternative à l'existence d'une phase inflationnaire dans les tous premiers instants qui suivirent le Big Bang. Boyle, Finn et Turok montrent que leur modèle peut expliquer l'évolution cosmique primordiale sans inventer de nouvelle physique. L'anti-univers qui émerge du Big Bang dans le sens temporel négatif se comporterait comme une réflexion dans un miroir de notre Univers. Dans ce modèle symétrique par CPT, le temps et l'espace s'écouleraient de manière continue à travers le Big Bang.

Les physiciens n'ont pas encore testé si certaines observations qui sont bien expliquées par l'inflation (comme l'homogénéité à très grande échelle) seraient aussi bien expliquées par leur modèle d'Univers symétrique par CPT. Mais leur modèle symétrique introduit naturellement l'existence de neutrinos stériles très massifs (3 neutrinos dits "droits" (c'est à dire une hélicité de +1 : le vecteur de leur spin est toujours orienté dans le sens de leur mouvement), a contrario des neutrinos "classiques" que nous connaissons et qui sont tous "gauches" (hélicité de -1, spin orienté en opposition au mouvement). Les physiciens montrent que l'un de ces trois neutrinos droits hyperlourds devrait nécessairement être stable et ils évaluent sa masse à 4,8 108 GeV très exactement, soit environ 500 millions de fois la masse d'un proton, pour que ces neutrinos puissent correspondre à la quantité de matière noire présente dans l'Univers. Les physiciens évoquent même la possibilité que de tels neutrinos hyperlourds puissent être à l'origine de rayons cosmiques ultra-énergétiques comme ceux détectés récemment.
Et il y a également d'autres conséquences prédites par ce nouveau modèle dans le secteur des neutrinos du fait de l'existence de 3 neutrinos "droits" hyperlourds dont un stable : selon Boyle et ses collègues, les neutrinos "classiques" devraient forcément être leur propre antiparticule, donc des neutrinos de type Majorana, et le neutrino le plus léger de ces trois neutrinos légers "classiques" devrait même avoir une masse nulle. La somme des masses des trois neutrinos légers devrait être selon eux égale à 0,05 eV (dans le cas d'une hiérarchie des masses normale) et 0,10 eV (dans le  cas d'une hiérarchie de masses inversée). La bonne nouvelle, c'est que toutes ces prédictions vont pouvoir être testées. Des expériences sont déjà en cours depuis de nombreuses années pour tenter de détecter la décroissance double-béta sans neutrinos dans certains éléments radioactifs, ce qui signerait sans équivoque que les neutrinos seraient leur propre antiparticule et donc leur nature de type "Majorana". De même, la mesure de la masse totale des trois neutrinos légers est activement poursuivie, notamment par des observations astrophysiques. 
Boyle, Finn et Turok donnent enfin une dernière prédiction de leur modèle, elle aussi testable par l'observation : l'absence d'ondes gravitationnelles primordiales (qui devraient être issues de la phase inflationnaire primordiale). Les traces de telles ondes gravitationnelles sont recherchées de manière indirecte en mesurant la polarisation des ondes électromagnétiques du rayonnement diffus cosmologique.

Il va de soi que si une seule de ces différentes prédictions se trouve finalement fausse, ce modèle cosmologique est à mettre au panier. En attendant son infirmation ou non, ce modèle reste intéressant comme une alternative qui permet de donner quelques réponses à des grandes questions, sans pour autant modifier drastiquement la physique existante. 

Source

CPT-Symmetric Universe
Latham Boyle, Kieran Finn, and Neil Turok
Phys. Rev. Lett. 121 (20 December 2018)


Illustration

Illustration schématique du modèle symétrique par CPT (L. Boyle/Perimeter Institute for Theoretical Physics)

15 commentaires :

Nicolas a dit…

Excellent article, comme d'habitude. Pour aller plus sur cet article, Latham Boyle a donne plusieurs exposes sur ce nouveau modele.
http://pirsa.org/displayFlash.php?id=18070059

sergeï a dit…

, ce modèle reste intéressant comme une alternative qui permet de donner quelques réponses à des grandes questions, sans pour autant modifier drastiquement la physique existante.

Bonjour,

Je trouve que votre conclusion pèche par excès de modestie par rapport au contenu de cet article : c'est tout bonnement une révolution de notre vision cosmologique de l'univers qui est proposée... sans révolutionner la physique avec de nouveaux concepts... si cette nouvelle théorie est confirmé, ça sent le prix Nobel..
Je n'ai pas de connaissances profondes en cosmologie, juste quelques notions de curieux, lecteur de vulgarisation depuis de nombreuses années.
Les considérations sur les neutrinos m'échappent un peu mais je peux comprendre que, rien que de prédire qu'ils sont à la source de la matière noire est d'une portée considérable.
Ce n'est rien moins que le Graal de la physique actuel !
Ca me donne envie d'approfondir la question pour bien profiter de ces découvertes.
L'idée d'un univers miroir est belle et élégante comme un symétrie : la fin de la brisure primordiale.
Mais ses implications philosophiques et conceptuelles sont imprévisibles :
Comment imaginer un temps "à l'envers" ... Ce serait un temps à l'envers du notre mais qui aurait sa propre flèche symétrique à la notre : l'ordre causalité-effet serait conservé...sinon, on ne pourrait même pas parler de symétrie avec une logique de développement "parallèle" à la notre (dans le sens de "en même temps") . On est déjà dans le paradoxe parce que toute réflexion mettant à l'épreuve notre expérience innée du temps aboutit à un paradoxe insurmontable.
On est sans doute dans une construction mathématique validable mais dans l'impensable pour nous... Tout se jouerait sans doute dans la relation entre cet univers miroir et le nôtre...non pas juxtaposé spatialement comme le suggère le schéma mais plutôt dans une sorte de parallélisme plus ou moins métaphysique.Je pense qu'on n'a pas fini de gloser sur cette nouvelle théorie si, comme vous le suggérez, elle ne finit pas bêtement au panier...
Mais il me semble que les auteurs ont commencé à tisser les liens entre cet univers miroir et le notre, avec les neutrinos... quant à l'anti matière, on arrive quand même à en fabriquer dans notre monde : est-elle soustraite de l'univers miroir ?
Autre question : l'anti matière obéit-elle à nos règle de causalité temporelle ? une anti particule suit-elle la flèche du temps ?

Vivement la suite...

Amicalement




sergeï a dit…

Votre article m'inspire...

Une idée m'est venue concernant le schéma de 2 univers développant une marche de temps inversée : ne faudrait-il pas, non pas joindre les deux pointes représentant le big bang, mais plutôt la partie évasée ? de cette façon on comprend beaucoup mieux que la flèche du temps de l'un correspond à une flèche inversée pour l'autre mais que, dans chacun des univers, la flèche du temps se fait dans une seule direction. Les deux bases larges, correspondant au même présent dans les deux univers mais avec un même éloignement de 13,7 milliards d'années du big bang (le même mais qui s'est éloigné dans les deux directions (tous les termes étant ici utilisé avec des camions de guillemets).
En somme, le miroir serait comme celui dans lequel on se regarde le matin : nous sommes proches de la partie réfléchissante qui délimite les deux univers ... il est devant nous et pas dans notre dos !
Les deux présents étant superposés, on comprendrait mieux les interactions physiques entre ces mondes miroir. le monde et l'anti monde coexistent au même degré d'évolution. Et le miroir s'agrandit avec l'expansion de l'univers, depuis la source "big bang" jusqu'à aujourd'hui
Hum, quand je commence à cogiter sur des questions comme celle-ci, je sens la nuit blanche !
Je vous adresse un joyeux réveillon de noël dans l'univers symétrique.. :-)

Bruno Paul a dit…

Il est étonnant que les auteurs n'aient pas cité les publications en cosmologie de Sakharov depuis 1967,qui décrivent précisément cette symétrie CPT primordiale et deux univers enantiomorphiques, pour les mêmes raisons.

https://fr.m.wikipedia.org/wiki/Andreï_Sakharov#Travaux%20en%20cosmologie

PETIT a dit…

Mais silence radio complet sur mon modèle Janus, pourtant totalement CPT-symétrique !!!

Jean-Pierre Petit

Dr Eric SIMON a dit…

La raison en est probablement que les conséquences de la non brisure de CPT par Boyle et al. est très différente de ce que proposait Sakharov, même à des anées-lumière, si j'ose dire :
"In particular, we find it yields a remarkably economical explanation of the cosmological dark matter: if the Universe is in its preferred CPT-symmetric vacuum, late-time observers see heavy sterile neutrinos emerging from the bang, for the same reason that distant observers see Hawking radiation emerging from a black hole. In our opinion, this provides the most elegant and compelling dark matter model currently available."

Dr Eric SIMON a dit…

@Jean-Pierre Petit
Ça me paraît normal que Boyle et al. ne cite pas votre "modèle", étant donné qu'hormis appliquer la symétrie CPT, ce qui n'a rien de tellement révolutionnaire, leur développement n'a absolument rien en commun avec vos thèses, ou celles de Sakharov bien longtemps avant vous. Mais peut-être que vous vous ralliez finalement à l'existence de la matière noire et des trous noirs, et que vous seriez heureux d'être cité dans un papier qui va totalement à l'encontre de vos idées? Je ne vous voyais pas si ouvert d'esprit, c'est étonnant. Je cite un extrait de l'introduction de l'article de Boyle, Finn et Turok, à vous de voir si vous cautionnez toujours d'être cité par eux ;-) :
"In particular, we find it yields a remarkably economical explanation of the cosmological dark matter: if the Universe is in its preferred CPT-symmetric vacuum, late-time observers see heavy sterile neutrinos emerging from the bang, for the same reason that distant observers see Hawking radiation emerging from a black hole. In our opinion, this provides the most elegant and compelling dark matter model currently available"

Pascal a dit…

Bonjour,

Vous dites : "Notre Univers, avec son expansion spatiale, sa flèche du temps toujours orientée dans le même sens et sa composition en matière semble violer une symétrie fondamentale, la symétrie CPT ". Quelque chose m'échappe, car j'avais la notion que la symétrie CPT, non seulement n'a jamais été violée expérimentalement, mais était la conséquence, démontrée par un théorème, de la véracité des lois quantiques et de l'invariance de Lorentz, piliers de notre physique standard. Dans les diagrammes de Feynman, il est équivalent de considérer une particule allant dans un sens du temps, ou son antiparticule allant dans l'autre sens. Et l'on recherche généralement l'origine de l'asymétrie matière/antimatière dans une violation suffisante de CP, pas de CPT, qui au contraire fait partie du paradigme actuel.

Concernant le neutrino droit (très lourd : petit bug, 4.8 10^8 Gev/c² = 500 millions de fois la masse du proton et non 500 000), il est à noter que sa masse n'est pas contrainte par la théorie, mais ajustée par les auteurs pour expliquer la matière noire ; à contrario, l’intérêt des wimps était que dans les modèles les plus naturels la densité relique était justement du bon ordre de grandeur (dommage qu'ils aient du plomb dans l'aile !). Par ailleurs, sauf erreur, on n'a encore observé aucune double désintégration béta sans neutrinos, où en est-on de la contrainte expérimentale sur le modèle de Majorana ?

Le modèle de Boyle et coll. s'il ne prévoit pas d'inflation, devra faire au moins aussi bien qu'elle, non seulement pour expliquer l'homogénéité de l'univers, mais aussi sa quasi platitude, l'absence de monopoles, et les germes des structures actuelles selon la distribution presque gaussienne observée par Planck...

Je profite de ce post pour vous remercier une nouvelle fois pour la qualité de votre blog dont l’intérêt ne faiblit pas, et vous souhaiter une très bonne fin d'année.

Dr Eric SIMON a dit…

Merci Nicolas pour le lien !

Bruno Paul a dit…

@Eric Simon : on voit bien que les conséquences de leur modèle sont forts différentes de celui de Sakharov qui n'a jamais introduit de WIMPS, mais justement : puisque les auteurs partent des mêmes hypothèses (CPT-symétrie centrée sur le big bang, ce qui n'est pas si courant en cosmologie), ils auraient normalement du citer ces travaux antérieurs et expliquer à partir de quelle prémisse ils s'en écartaient. Ils auraient ainsi bénéficié des années d'élaboration de ce modèle par Sakharov. L'ignorer totalement, c'est un peu court pour être sérieux, surtout quand on a la prétention d'écrire "In our opinion, this provides the most elegant and compelling dark matter model currently available"...

Bruno Paul a dit…

@Eric Simon : je crois que vous vous méprenez sur le sens de la phrase de JP Petit. Je pense qu'il ne demande pas tant d'être cité par ces 3 auteurs. Par contre, il est étonnant que l'apparition de leur modèle suscite en 48h la rédaction d'un article dans votre blog, alors que vous n'avez jamais écrit une ligne sur le modèle JANUS, qui est pourtant très largement plus évolué, robuste et complet que le "nouveau" modèle de ces auteurs. (cf https://fr.wikipedia.org/wiki/Mod%C3%A8le_cosmologique_bi-m%C3%A9trique)
C'est le sens de l'exclamation : "silence radio"!

Par ailleurs, pour les travaux de Sakharov qu'ignorent ces 3 auteurs, Petit les cite abondamment dans ces propres publications à partir de 1984 quand il pu en prendre connaissance . Ceci explique pourquoi ces premieres publications sur la CPT-symetrie primordiale en 1977 ne mentionne pas Sakharov. Petit a expliqué tout cela à de très nombreuses reprises.
Bonne soirée.

Dr Eric SIMON a dit…

@Pascal : c'est le phénomène de la singularité initiale telle qu'elle est imaginée dans le modèle standard qui semble violer toutes les symétries du fait même de l'émergence de l'espace-temps dans une seule direction et des seules particules, une asymétrie que cherchent les auteurs à évacuer.

Merci pour avoir vu la coquille sur la valeur de la masse !

Les manips de désintégration double-béta sans neutrinos sont à fond, avec notamment superNEMO au laboratoire souterrain de Modane (7 kg de sélénium-82), qui prend la suite de NEMO-3 (qui a utilisé plusieurs sources différentes entre 2003 et 2011). Aujourd'hui est mis en oeuvre un module de démonstration de SuperNEMO, dans l'objectif de fonctionner pendant 2,5 ans. C'est la manip la plus avancée aujourd'hui (car mesure de l'énergie et de la trajectoire des électrons en même temps, ce que ne peuvent pas faire les autres manips).
D'autres manips continuent avec le xénon-136 : EXO200, qui va évoluer en nEXO (5 tonnes de xénon enrichi!!), KAMLAND-800 au Japon (750 kg de Xénon, en cours depuis début 2018), PANDAX-III en Chine...
... ou avec le tellure-130 (SNO+ au Canada, CUORE au Gran Sasso)
... ou encore avec le germanium-76 (CDEX en Chine, GERDA au Gran Sasso, MAJORANA, ces deux collab. vont fusionner pour former une nouvelle manip plus grosse : LEGEND qui devrait débuter au Gran Sasso en 2021)
Toutes ces manips repoussent pour l'instant toujours plus loin leur sensibilité, avec une limite obtenue pour la demie-vie de la désintégration double-béta sans neutrino de l'ordre de 10^26 ans (par NEMO3)...

Dr Eric SIMON a dit…

Bruno Paul, je ferai une seule réponse à vos deux commentaires :
la non-citation de Sakharov par les auteurs ne regarde qu'eux et n'a visiblement pas choqué ni les referees de l'article, ni l'éditeur de Physical Review Letters, et ce probablement pour de bonnes raisons qui ne doivent pas être éloignées de ce que je disais.
Vous me faites un peu rire quand vous parlez de Petit et de son modèle. Vous semblez considérer qu'il détient la vérité absolue et qu'il est systématiquement ignoré par la communauté scientifique depuis 40 ans, ce qu'il clame lui-même depuis des années (la position facile du génie incompris et ostracisé...). La vérité est que le modèle Janus n'est pas du tout cohérent. Allez chercher ce que dit son modèle sur les fluctuations du fond diffus cosmologique ou encore sur la formation des grandes structures ou la nucléosynthèse primordiale, sans parler des trous noirs dont Petit nie l'existence malgré les évidences observationnelles... et vous comprendrez pourquoi je n'en ai jamais parlé ici. Le modèle Janus n'est ni plus évolué, ni plus robuste, ni plus complet que ce modèle de Boyle, Finn et Turok. Il est juste plus spéculatif, plus boiteux, plus fumeux. Vous vous êtes fait malheureusement berné comme beaucoup d'autres en regardant les vidéos de Petit.
Si j'ai relaté cette publication de Boyle et al., c'est parce que je fais confiance à Physical Review Letters, qui est l'une des plus prestigieuses revues de physique (avec un facteur d'impact de 8,84 en 2017, à comparer au facteur d'impact de 1,88 de Astrophysics and Space Science, qui est un journal de faible envergure où Petit a réussi péniblement à publier), et le fait que ce soit dans les 48h, c'est simplement parce que je fais toujours ça, avec une veille bibliographique très serrée.
Vous avez de la chance, je ne vais pas évoquer la personnalité de votre mentor et ses accointances/croyances communes à celles des amateurs de soucoupes supraluminiques, parce qu'il y aurait là encore beaucoup à dire et pas en bien...

DavidP a dit…

Salut Eric, merci pour ce nouveau passionnant article.
Je fais partie de la majorité d'amateurs intéressés par tous ces sujets mais n'ayant pas comme vous le bagage scientifique (loin s'en faut) pour les juger à leur juste valeur.
Aussi je prête attention aux courants de pensée décrit comme alternatifs, tels ceux de Jean-Pierre Petit, tout autant que les courants plus conventionnels, tel ceux d'un autre Jean-Pierre, Luminet.
Même si l'affaire UMMO, l'ensemble ses travaux, son modèle Janus peuvent vous paraitre perfectibles et même loufoque, reconnaissons à JPP un certain talent de vulgarisateur et une fraicheur d'esprit (à 81 ans!).
Peut être que si un scientifique contradicteur acceptait de prendre le temps d'aborder le modèle Janus, en expliquant ses lacunes, voir d'en débattre avec l’intéressé lui-même.. Nous autres profanes y verrions plus clair ?

Meilleurs voeux, cordialement.

David P.

Dr Eric SIMON a dit…

@DavidP : je serais curieux de savoir à quelles autres théories alternatives vous prêtez attention, autre que celle que vous mentionnez. Concernant ce truc Janus, très franchement, vous devriez fuir très vite. Ce type ne raconte que des inepties.
Je comprends tout à fait qu'aucun chercheur digne de ce nom ne veuille perdre du temps à discuter face à Petit. On ne discute pas avec un cinglé bourré de préjugés dogmatiques qui clame que la physique qu'il invente lui a été dictée par une intelligence extraterrestre, qui, d'après lui a effectué des prélèvements biologiques sur lui (entre autres) (MDR), et qui passe son temps à se victimiser en dénigrant les véritables spécialistes (enfin, uniquement ceux que l'on voit le plus souvent sur youtube, bizarrement).
Vous devez essayer de faire la part des choses entre les véritables scientifiques dont c'est le métier, qui travaillent dur chaque jour et ce genre de personnage qui s'auréole d'une cape scientifique mais qui n'en a aucun des attributs. Il faut que vous compreniez que n'importe qui avec un peu de bagage mathématique peut créer un modèle cosmologique avec des prédictions qui semblent coller à certaines observations et arriver à publier ses travaux avec un peu de persévérance, pour donner le change.
Et n'importe qui peut aussi raconter avoir été enlevé par des extraterrestres ou autres. Le reste n'est que de la croyance.