Les nœuds apparaissent aujourd’hui dans divers domaines des mathématiques et de la physique. Une équipe de physiciens du Japon et d’Allemagne suggère qu’au début de l’Univers, une « ère dominée par les nœuds » aurait pu exister, où les nœuds étaient un composant dominant de l’Univers, et ce scénario peut être testé par des observations d’ondes gravitationnelles ; en outre, ils proposent que la fin de cette ère implique l’effondrement des nœuds via un tunnel quantique, conduisant à la génération d’une asymétrie matière-antimatière dans l’Univers.
Les nœuds, définis mathématiquement comme des courbes fermées intégrées dans un espace tridimensionnel, apparaissent non seulement lors du nouage d’une cravate, mais également dans divers domaines scientifiques d’aujourd’hui, comme l’a lancé Lord Kelvin.
Bien que son hypothèse selon laquelle les atomes sont des nœuds de vortex d’éther ait finalement été réfutée, elle a stimulé le développement de la théorie des nœuds et ses applications dans de multiples domaines de la physique.
« Notre étude aborde l’un des mystères les plus fondamentaux de la physique : pourquoi notre Univers est constitué de matière et non d’antimatière », a déclaré le professeur Muneto Nitta, physicien à l’Université d’Hiroshima et à l’Université Keio.
« Cette question est importante car elle touche directement à la raison pour laquelle les étoiles, les galaxies et nous-mêmes existons. »
« Le Big Bang aurait dû produire des quantités égales de matière et d’antimatière, chaque particule détruisant sa jumelle jusqu’à ce qu’il ne reste plus que des radiations. »
« Pourtant, l’Univers est majoritairement constitué de matière, avec presque aucune antimatière en vue. »
« Les calculs montrent que tout ce que nous voyons aujourd’hui, des atomes aux galaxies, existe parce qu’une seule particule supplémentaire de matière a survécu pour chaque milliard de paires matière-antimatière. »
« Le modèle standard de la physique des particules, malgré son extraordinaire succès, ne peut pas expliquer cet écart. »
« Ses prévisions sont inférieures de plusieurs ordres de grandeur. »
« Expliquer l’origine de ce petit excès de matière, connu sous le nom de baryogenèse, est l’une des plus grandes énigmes non résolues de la physique. »
En combinant une symétrie du nombre de baryons moins le nombre de leptons (BL) avec la symétrie de Peccei-Quinn (PQ), le professeur Nitta et ses collègues ont montré que des nœuds pouvaient se former naturellement dans l’Univers primitif et générer le surplus observé.
Ces deux extensions du modèle standard, étudiées depuis longtemps, comblent certaines de ses lacunes les plus déroutantes.
La symétrie PQ résout le problème du CP fort, l’énigme de savoir pourquoi les expériences ne détectent pas le minuscule moment dipolaire électrique que la théorie prédit pour le neutron et, ce faisant, introduit l’axion, l’un des principaux candidats à la matière noire.
Pendant ce temps, la symétrie BL explique pourquoi les neutrinos, des particules fantomatiques qui peuvent traverser des planètes entières sans être remarquées, ont une masse.
Garder la symétrie PQ globale, plutôt que de la jauger, préserve la physique délicate des axions qui résout le problème du CP fort.
En physique, « jauger » une symétrie signifie la laisser agir librement en tout point de l’espace-temps.
Mais cette liberté locale a un prix. Pour préserver la cohérence, la Nature doit introduire un nouveau porteur de force pour lisser les équations.
En évaluant la symétrie BL, les chercheurs ont non seulement garanti la présence de neutrinos lourds droitiers – nécessaires pour maintenir la théorie sans anomalie et au centre des principaux modèles de baryogenèse – mais ont également introduit un comportement supraconducteur qui a fourni l’épine dorsale magnétique pour peut-être certains des premiers nœuds de l’Univers.
Alors que l’Univers se refroidissait après le Big Bang, ses symétries se sont fracturées à travers une série de transitions de phase et, comme la glace gelant de manière inégale, elles pourraient avoir laissé derrière elles des défauts filiformes appelés cordes cosmiques, des fissures hypothétiques dans l’espace-temps qui, selon de nombreux cosmologistes, pourraient encore exister.
Bien que plus mince qu’un proton, un pouce de corde pourrait dépasser les montagnes.
À mesure que le cosmos s’étendait, une toile tordue de ces filaments se serait étirée et emmêlée, portant les empreintes des conditions primordiales qui prévalaient autrefois.
La rupture de la symétrie BL a produit des chaînes de tubes à flux magnétique, tandis que la symétrie PQ a donné naissance à des vortex superfluides sans flux.
C’est leur contraste même qui les rend compatibles.
Le tube de flux BL donne au couplage Chern-Simons du vortex superfluide PQ quelque chose sur lequel s’accrocher.
Et à son tour, le couplage permet à la pompe vortex superfluide PQ de se charger dans le tube de flux BL, contrant ainsi la tension qui ferait normalement casser la boucle.
Le résultat était une configuration métastable et topologiquement verrouillée appelée soliton à nœuds.
« Personne n’avait étudié ces deux symétries en même temps », a déclaré le professeur Nitta.
« C’était une chance pour nous. Les assembler a révélé un nœud stable. »
Alors que les radiations perdaient de l’énergie à mesure que leurs ondes s’étiraient dans l’espace-temps, les nœuds se comportaient comme de la matière, s’estompant beaucoup plus lentement.
Ils ont rapidement dépassé tout le reste, ouvrant la voie à une ère dominée par les nœuds, où leur densité d’énergie, et non celle de leur rayonnement, régnait sur le cosmos.
Mais ce règne ne dura pas. Les nœuds ont finalement été dénoués grâce au tunnel quantique, un processus fantomatique dans lequel les particules glissent à travers les barrières énergétiques comme si elles n’existaient pas du tout.
Leur effondrement a généré de lourds neutrinos droitiers, conséquence inhérente de la symétrie BL tissée dans leur structure.
Ces particules fantomatiques massives se sont ensuite désintégrées en formes plus légères et plus stables avec un léger biais en faveur de la matière plutôt que de l’antimatière, nous donnant ainsi l’Univers que nous connaissons aujourd’hui.
« Fondamentalement, cet effondrement produit beaucoup de particules, y compris les neutrinos droitiers, les bosons scalaires et le boson de jauge, comme une douche », a déclaré le Dr Yu Hamada, physicien à la Deutsches Elektronen-Synchrotron et à l’Université Keio.
« Parmi eux, les neutrinos droitiers sont particuliers car leur désintégration peut naturellement générer un déséquilibre entre matière et antimatière. »
« Ces neutrinos lourds se désintègrent en particules plus légères, telles que des électrons et des photons, créant ainsi une cascade secondaire qui réchauffe l’Univers. »
« En ce sens, ils sont les parents de toute la matière de l’Univers aujourd’hui, y compris notre propre corps, tandis que les nœuds peuvent être considérés comme nos grands-parents. »
Lorsque les chercheurs ont suivi les calculs codés dans leur modèle – l’efficacité avec laquelle les nœuds produisaient des neutrinos droitiers, la masse de ces neutrinos et la température dans laquelle le cosmos s’est réchauffé après leur désintégration – le déséquilibre matière-antimatière que nous observons aujourd’hui est apparu naturellement de l’équation.
En réorganisant la formule et en intégrant une masse réaliste de 1 012 gigaélectronvolts (GeV) pour les neutrinos lourds droitiers, et en supposant que les nœuds ont canalisé la majeure partie de leur énergie stockée pour créer ces particules, le modèle a naturellement atterri à une température de réchauffage de 100 GeV.
Cette température marque par coïncidence la dernière fenêtre de l’Univers pour la création de matière.
S’il faisait plus froid, les réactions électrofaibles qui convertissent un déséquilibre des neutrinos en matière s’arrêteraient définitivement.
Un réchauffement à 100 GeV aurait également remodelé le chœur des ondes gravitationnelles de l’Univers, l’inclinant vers des fréquences plus élevées.
Les futurs observatoires tels que l’antenne spatiale à interféromètre laser (LISA) en Europe, Cosmic Explorer aux États-Unis et l’observatoire des ondes gravitationnelles à interféromètre déci-hertz (DECIGO) au Japon pourraient un jour écouter ce subtil changement d’accord.
« Les cordes cosmiques sont une sorte de soliton topologique, des objets définis par des quantités qui restent les mêmes, peu importe la façon dont vous les tordez ou les étirez », a déclaré le Dr Minoru Eto, physicien à l’Université de Yamagata, à l’Université de Keio et à l’Université d’Hiroshima.
« Cette propriété garantit non seulement leur stabilité, mais signifie également que notre résultat n’est pas lié aux spécificités du modèle. »
« Même si le travail est encore théorique, la topologie sous-jacente ne change pas, nous considérons donc cela comme une étape importante vers de futurs développements. »
Alors que Lord Kelvin avait initialement supposé que les nœuds étaient les éléments fondamentaux de la matière, les chercheurs ont soutenu que leurs résultats fournissaient, pour la première fois, un modèle réaliste de physique des particules dans lequel les nœuds pourraient jouer un rôle crucial dans l’origine de la matière.
« La prochaine étape consiste à affiner les modèles théoriques et les simulations pour mieux prédire la formation et la désintégration de ces nœuds, et relier leurs signatures aux signaux d’observation », a déclaré le professeur Nitta.
« En particulier, les prochaines expériences sur les ondes gravitationnelles telles que LISA, Cosmic Explorer et DECIGO pourront tester si l’Univers a réellement traversé une ère dominée par les nœuds. »
Le travail de l’équipe apparaît dans la revue Lettres d’examen physique.
