Au début de son histoire, peu de temps après le Big Bang, l'univers était rempli de quantités égales de matière et d'"antimatière" - des particules qui sont des homologues de la matière mais avec des charges opposées. Mais ensuite, à mesure que l'espace s'agrandissait, l'univers s'est refroidi. L'univers d'aujourd'hui est rempli de galaxies et d'étoiles constituées de matière. Où est passée l'antimatière et comment la matière en est-elle venue à dominer l'univers ? Cette origine cosmique de la matière continue d'intriguer les scientifiques.

Des physiciens de l'Université de Californie à Riverside et de l'Université Tsinghua en Chine ont maintenant ouvert une nouvelle voie pour sonder l'origine cosmique de la matière en invoquant le "collisionneur cosmologique".

Pas n'importe quel collisionneur

Des collisionneurs à haute énergie, tels que le Large Hadron Collider, ont été construits pour produire des particules élémentaires subatomiques très lourdes susceptibles de révéler une nouvelle physique. Mais certaines nouvelles physiques, comme celle expliquant la matière noire et l'origine de la matière, peuvent impliquer des particules beaucoup plus lourdes, nécessitant une énergie beaucoup plus élevée que ce qu'un collisionneur créé par l'homme peut fournir. Il s'avère que le premier cosmos aurait pu servir de super-collisionneur.

Yanou Cui, professeur agrégé de physique et d'astronomie à l'UCR, a expliqué qu'il est largement admis que l'inflation cosmique, une ère où l'univers s'est développé à un rythme accéléré de façon exponentielle, a précédé le Big Bang.

"L'inflation cosmique a fourni un environnement hautement énergétique, permettant la production de nouvelles particules lourdes ainsi que leurs interactions", a déclaré Cui. "L'univers inflationniste s'est comporté comme un collisionneur cosmologique, sauf que l'énergie était jusqu'à 10 milliards de fois plus grande que n'importe quel collisionneur créé par l'homme."

Selon Cui, les structures microscopiques créées par des événements énergétiques pendant l'inflation se sont étirées à mesure que l'univers s'étendait, résultant en des régions de densité variable dans un univers par ailleurs homogène. Par la suite, ces structures microscopiques ont semé la structure à grande échelle de notre univers, qui se manifeste aujourd'hui par la répartition des galaxies dans le ciel. Cui a expliqué que la nouvelle physique des particules subatomiques pourrait être révélée en étudiant l'empreinte du collisionneur cosmologique dans le contenu du cosmos aujourd'hui, comme les galaxies et le fond diffus cosmologique.

Cui et Zhong-Zhi Xianyu, professeur adjoint de physique à l'Université de Tsinghua, rapportent dans la revue Physical Review Letters qu'en appliquant la physique du collisionneur cosmologique et en utilisant des données de précision pour mesurer la structure de notre univers à partir d'expériences à venir telles que SPHEREx et la tomographie à 21 cm, le mystère de l'origine cosmique de la matière peut être percé.

"Le fait que notre univers actuel soit dominé par la matière reste l'un des mystères les plus déroutants et les plus anciens de la physique moderne", a déclaré Cui. "Un déséquilibre subtil ou une asymétrie entre la matière et l'antimatière dans l'univers primitif est nécessaire pour atteindre la domination actuelle de la matière, mais ne peut pas être réalisé dans le cadre connu de la physique fondamentale."

La leptogenèse à la rescousse

Cui et Xianyu proposent de tester la leptogenèse, un mécanisme bien connu qui explique l'origine de l'asymétrie du baryon - gaz et étoiles visibles - dans notre univers. Si l'univers avait commencé avec des quantités égales de matière et d'antimatière, ils se seraient annihilés en rayonnement photonique, ne laissant rien. Étant donné que la matière dépasse de loin l'antimatière aujourd'hui, une asymétrie est nécessaire pour expliquer le déséquilibre.

"La leptogenèse est l'un des mécanismes les plus convaincants générant l'asymétrie matière-antimatière", a déclaré Cui. "Il s'agit d'une nouvelle particule fondamentale, le neutrino droitier. On a longtemps pensé, cependant, que tester la leptogenèse était presque impossible car la masse du neutrino droitier est généralement de plusieurs ordres de grandeur au-delà de la portée de l'énergie la plus élevée. collisionneur jamais construit, le Large Hadron Collider."

Le nouveau travail propose de tester la leptogenèse en décodant les propriétés statistiques détaillées de la distribution spatiale des objets dans la structure cosmique observée aujourd'hui, rappelant la physique microscopique lors de l'inflation cosmique. L'effet cosmologique du collisionneur, selon les chercheurs, permet la production du neutrino droitier super lourd pendant l'époque inflationniste.

"Plus précisément, nous démontrons que les conditions essentielles à la génération d'asymétrie, y compris les interactions et les masses du neutrino droitier, qui est l'acteur clé ici, peuvent laisser des empreintes distinctives dans les statistiques de la distribution spatiale des galaxies ou du fond diffus cosmologique et peut être mesuré avec précision », a déclaré Cui. "Les observations astrophysiques anticipées dans les années à venir peuvent potentiellement détecter de tels signaux et démêler l'origine cosmique de la matière." + Explorer plus loin

Utiliser l'univers comme un "collisionneur cosmologique" (Mise à jour)