Une nouvelle étude, menée pour mieux comprendre l'origine de l'univers, a fourni un aperçu de certaines des questions les plus persistantes de la physique fondamentale :comment le modèle standard de la physique des particules peut-il être étendu pour expliquer l'excès cosmologique de matière par rapport à l'antimatière ? Qu'est-ce que la matière noire ? Et quelle est l'origine théorique d'une symétrie inattendue mais observée dans la force qui lie les protons et les neutrons ?

Dans l'article "Axiogenèse, " devrait être publié dans Lettres d'examen physique le 17 mars, 2020, chercheurs Keisuke Harigaya, Membre de la Faculté des sciences naturelles de l'Institute for Advanced Study, et Raymond T. Co de l'Université du Michigan, ont présenté un cas convaincant dans lequel l'axion de la chromodynamique quantique (QCD), théorisé pour la première fois en 1977, apporte plusieurs réponses importantes à ces questions.

"Nous avons révélé que la rotation de l'axion QCD peut expliquer l'excès de matière trouvé dans l'univers, " a déclaré Harigaya. "Nous avons nommé ce mécanisme axiogenèse."

Infiniment léger, l'axion QCD, au moins un milliard de fois plus léger qu'un proton, ressemble presque à un fantôme. Des millions de ces particules traversent la matière ordinaire chaque seconde sans préavis. Cependant, l'interaction au niveau subatomique de l'axion QCD peut encore laisser des signaux détectables dans des expériences avec des sensibilités sans précédent. Alors que l'axion QCD n'a jamais été directement détecté, cette étude fournit du carburant supplémentaire aux expérimentateurs pour traquer la particule insaisissable.

"La polyvalence de l'axion QCD pour résoudre les mystères de la physique fondamentale est vraiment incroyable, " a déclaré Co. "Nous sommes ravis des possibilités théoriques inexplorées que ce nouvel aspect de l'axion QCD peut apporter. Plus important, des expériences pourraient bientôt nous dire si les mystères de la nature font vraiment allusion à l'axion QCD."

Harigaya et Co ont estimé que l'axion QCD est capable de remplir simultanément trois pièces manquantes du puzzle de la physique. D'abord, l'axion QCD a été initialement proposé pour expliquer le problème dit de CP fort - pourquoi la force forte, qui lie les protons et les neutrons entre eux, préserve de manière inattendue une symétrie appelée symétrie de parité de charge (CP). La symétrie CP est déduite de l'observation qu'un neutron ne réagit pas avec un champ électrique malgré ses constituants chargés. Seconde, l'axion QCD s'est avéré être un bon candidat pour la matière noire, offrant ce qui pourrait être une percée majeure dans la compréhension de la composition d'environ 80 pour cent de la masse de l'univers qui n'a jamais été directement observée. Dans leurs travaux sur l'univers primitif, Harigaya et Co ont déterminé que l'axion QCD peut également expliquer le problème d'asymétrie matière-antimatière.

Lorsque la matière et les particules d'antimatière interagissent, ils s'annihilent mutuellement. Dans la première fraction de seconde suivant le Big Bang, la matière et l'antimatière existaient en quantités égales. Cette symétrie empêchait la prédominance d'un type de matière sur l'autre. Aujourd'hui, l'univers est rempli de matière, indiquant que cette symétrie a dû être brisée. Harigaya and Co citent l'axion QCD comme coupable. Énergie cinétique, résultant du mouvement de l'axion QCD, produit des baryons supplémentaires ou de la matière ordinaire. Ce léger basculement de l'échelle en faveur de la matière aurait eu un effet de cascade prononcé, ouvrant la voie à l'univers tel qu'il est connu aujourd'hui.

Une meilleure compréhension de la dynamique nouvellement découverte de l'axion QCD pourrait potentiellement changer l'histoire de l'expansion de l'univers et ainsi informer l'étude des ondes gravitationnelles. Les travaux futurs sur ce sujet pourraient également fournir de plus amples informations sur d'autres questions persistantes de la physique fondamentale, comme l'origine de la minuscule masse de neutrinos.

« Depuis que les physiciens théoriques et expérimentaux des particules, astrophysiciens, et les cosmologistes ont commencé à étudier l'axion QCD, de grands progrès ont été accomplis. Nous espérons que nos travaux feront progresser ces efforts de recherche interdisciplinaire, " ajouta Harigaya.