Dans les vides cosmiques où la densité des galaxies est bien inférieure à la norme, les astronomes ont observé des champs magnétiques faibles qui pourraient ouvrir une fenêtre sur l'univers primitif. Les champs 10 ^-17 -dix ^-dix On pense que la magnitude G avec de grandes longueurs de cohérence allant jusqu'à des mégaparsecs a son origine dans l'univers primitif, mais jusqu'à présent, on ne sait pas quand ni comment ils ont été générés. Une hypothèse est qu'un déséquilibre du nombre de fermions « gauchers » et « droitiers » pourrait en être le cœur, car cela pourrait donner lieu à des champs magnétiques hélicoïdaux. Mais jusqu'à présent, il n'y a pas eu d'analyse détaillée sur la façon dont l'évolution du nombre de fermions gauchers et droitiers pourrait se comparer à cette hypothèse. Maintenant, une collaboration de chercheurs en Europe rapporte une analyse plus rigoureuse de ce déséquilibre de la chiralité avec des résultats surprenants.

Le caractère manuel ou chiralité des fermions est une propriété fondamentale des particules quantiques (pertinente pour la description de l'interaction faible entre elles). "Pour les fermions sans masse, cela coïncide avec l'hélicité de la particule, c'est-à-dire la projection du spin de la particule sur la direction de son mouvement, " explique Oleksandr Sobol, chercheur postdoctoral à l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne en Suisse et à l'Université de Kiev, et auteur correspondant sur ce dernier rapport. "Toutefois, pour les vrais fermions massifs, il n'y a pas d'analogie simple."

Oleksandr explique que certains processus peuvent inverser la chiralité, ce qui tend à égaliser le déséquilibre de la chiralité des fermions au fil du temps. Jusqu'à présent, les cosmologistes se sont appuyés sur une estimation de ce taux de désintégration basée sur les réactions les plus simples impliquées dans ces processus. Selon ces principes, le taux de décroissance est proportionnel au carré d'une constante fondamentale connue sous le nom de constante de structure fine, qui quantifie la force des interactions électromagnétiques entre les particules fondamentales. Cependant, l'une des choses que cette estimation ne prend pas en compte est la façon dont les particules dans un plasma diffèrent des particules dans le vide. Il s'avère que cela a un impact significatif sur les calculs de la probabilité d'un des processus de diffusion qui peut inverser la chiralité d'une particule.

Effets environnementaux

Dans tout processus de diffusion, la quantité de mouvement est transférée d'une particule en collision à une autre, explique Sobol. Plus la quantité de mouvement transférée est faible, plus la probabilité qu'une diffusion se produise est élevée. Dans leur analyse du taux de décroissance du déséquilibre de la chiralité, lui et ses collaborateurs se concentrent en grande partie sur la diffusion Compton où un électron et un photon entrent en collision, qui peut inverser la chiralité de l'électron. Ici, comme le souligne Sobol, lorsque l'électron et le photon échangent leurs impulsions sans que les valeurs d'impulsion ne changent beaucoup, la probabilité de diffusion peut vraiment monter en flèche, grandit si vite que l'intégration sur toutes les valeurs de transfert de quantité de mouvement possibles tend vers l'infini - une soi-disant singularité infrarouge, où l'infrarouge fait référence au faible transfert de quantité de mouvement impliqué.

"Évidemment, ce n'est pas physique, car toutes les quantités doivent rester finies, " ajoute Sobol, soulignant que la prise en compte des différences entre les particules dans le plasma et dans le vide peut résoudre le problème. "L'environnement modifie la dispersion énergétique des particules et rend leur durée de vie finie." En tenant compte de ces effets environnementaux, les chercheurs ont pu rendre toutes les quantités finies. Ce qu'ils ont également trouvé à leur grande surprise, était que l'une des constantes de structure fine dans la relation de taux de décroissance de la chiralité s'annule alors de sorte que le taux devienne linéairement proportionnel à la constante de structure fine.

Le changement dans la relation décrivant le taux de décroissance lui donne une valeur de deux ordres de grandeur plus rapide que celle fixée par l'estimation précédente. Bien qu'un écart aussi important puisse sembler quelque chose qui aurait dû être détecté quelque part le long de la ligne auparavant - ou du moins vérifié - ce n'est que récemment que les calculs numériques utilisant ces valeurs ont vraiment été viables. "L'analyse quantitative des plasmas avec déséquilibre chiral nécessite des simulations compliquées et numériquement coûteuses que les gens n'étaient pas en mesure de réaliser il y a de nombreuses années, " dit Sobol. " En d'autres termes, jusqu'à une époque récente, la valeur numérique exacte du taux de basculement de la chiralité n'était pas nécessaire. » Il souligne également qu'il n'était pas non plus clair comment calculer ce taux, car cela nécessite des mathématiques "non triviales" - une double expansion perturbative, dans la constante de structure fine et la masse d'électrons.

Donc, avec un taux de désintégration aussi rapide confirmé, est-ce que le jeu est terminé pour les théories des champs magnétiques primordiaux générés par le déséquilibre de la chiralité des fermions ? Pas assez. Comme le souligne Sobol, un autre facteur clé est la vitesse à laquelle le déséquilibre de la chiralité peut être transféré dans le champ magnétique. "Ce taux est encore inconnu et il faut absolument le calculer, " dit Sobol. " Ne connaissant que les deux taux, on pourrait conclure à la possibilité de la magnétogénèse dans ce modèle. "

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