Selon le Modèle Standard de la Physique, développé puis rapiécé tout au long du XXème et du début du XXIème siècle, quatre grandes forces régissent l’Univers: la force électromagnétique, les forces nucléaires faible et forte, et la gravité. Les trois premières sont bien comprises et compatibles tant avec le modèle classique (en gros, Newton et le monde macroscopique) qu’avec le modèle quantique, là où l’on spécifie l’origine et le mode de transmission de ces forces.
La quatrième, la gravité, est nettement plus complexe. Les deux grandes théories expliquant son origine et son mode d’action, la relativité d’Einstein et la mécanique quantique, fonctionnent toutes les deux mais ne sont pas, pour le moment du moins, compatibles entre elles.
Pïre, l’observation phénoménologique de l’univers n’est pas explicable par l’application directe de ces forces qui, si elles existaient seules dès le début de l’Univers, n’auraient pas abouti à l’univers actuellement observable. D’où la nécessité d’introduire des cheat codes, ces trucs qu’utilisent les amateurs de jeux vidéo pour passer les étapes trop difficiles.
Tricher n’est pas jouer.
Les trois cheat codes les plus connus, par ordre d’apparition chronologique, sont l’inflation cosmique au tout début de la vie de l’univers, la matière noire permettant de réconcilier le Modèle Standard avec la réalité observable des formations galactiques, et l’énergie noire permettant “d’expliquer” pourquoi l’univers est en expansion, alors même que la force gravitationnelle devrait plutôt le faire se contracter.
Aucun des trois n’a d’explication rationnelle: rien ne dit quel processus aurait pu initier l’inflation cosmique, sans laquelle notre univers ne pourrait avoir l’homogénéité que l’on observe. On ne sait toujours pas ce que pourrait être cette matière noire, qui pourtant représenterait 85% de la matière de l’univers, ce malgré des décennies de recherche et la découverte de mystères comme celui présenté ici dans “Signes d’un univers parallèle en marche arrière?” (1).
La situation est particulièrement difficile pour l’énergie noire car non seulement elle ne s’explique pas mais, en plus, elle commence à compliquer encore plus une situation déjà inextricable. Ce blog est revenu sur le problème à plusieurs reprises, le dernier article s’intitulant “L’énergie noire au fond du trou” en référence au caractère funèbre de sa présente condition (2).
Diagnostique: manque de force.
Le consensus actuel semble être le suivant: il manque une, voire plusieurs forces à notre bon vieux Modèle Standard pour expliquer la réalité observable. Ce constat n’est pas nouveau mais là, franchement, ça ne tient plus la route. Les trous dans la tapisserie commencent à trop se voir et la crédibilité de l’ensemble ne tient plus qu’à un fil. Dont acte.
Vu l’imagination fertile des théoriciens, les suggestions ne manquent pas. L’une ayant le vent en poupe actuellement est la force caméléon. Le nom ne vient pas d’un chercheur nommé Léon abusant d’herbes folles mais d’une possible caractéristique très particulière: l’adaptation au milieu.
Caméléon, une force darwinienne?
Cette intrusion darwinienne au cœur de la physique s’exprimerait ainsi: la portée de cette force en un endroit donné serait déterminée par la densité de matière en ce même endroit. En l’occurrence, au sein d’un milieu à forte densité de matière tel le nôtre, la Terre et alentours, cette force se traduirait par une particule (ce qui porte la force d’un point à un autre) lourde mais de très faible portée, voire objectivement indétectable.
A contrario, dans un milieu de faible densité tel l’espace, cette force serait associée à une particule légère mais de longue portée, donc puissante et détectable. Elle serait alors la cause de ce que nous appelons l’énergie noire. Cette force caméléon serait donc de nature répulsive, anti-gravitationnelle, ce pourquoi elle serait indétectable dans les environnements denses: son effet serait caché par l’effet nettement plus important de la gravité.
Cette théorie a l’avantage d’être tout à fait compatible avec les préceptes de la physique quantique, il suffit de l’observer pour l’intégrer à la théorie et boucher un certain nombre de trous. Le télescope spatial EUCLID, qui sera lancé par l’ESA en 2022, pourrait tenter ce genre d’observation. Plus proche de nous, une équipe menée par Clare Burrage de l’Imperial Collège de Londres a construit un “piège à caméléons” qui, pour l’instant, reste désespérément vide (3).
Une masse de pistes.
D’autres pistes existent au sein de la recherche de nouvelles forces. Concernant la fameuse inflation cosmique, la plus simple serait que cette force ait tout simplement disparu, tout comme disparaissent les vagues après la tempête. Une singularité de notre univers dont la nature resterait à jamais théorique, sinon spirituelle.
C’est plus compliqué pour la matière noire, un domaine de forte concurrence entre particules fantômes et univers parallèles comme décrit dans “Matière noire, miroir de l’univers?” (4). On parle actuellement de dark photons qu’une équipe hongroise aurait entrevus, une particule éphémère de très faible masse (30 fois celle d’un électron) dont les caractéristiques pourraient correspondre à celles attribuées à la matière noire.
A la poursuite de ce côté sombre de la force, l’expérience bien-nommée PADME, pour Positron Annihilation into Dark Matter Experiment, se déroule actuellement à Frascati, en Italie, et devrait donner des résultats en 2021. La découverte d’une telle particule, et de la nouvelle force qu’elle transporte, serait un grand moment de la physique contemporaine. Au moins équivalent à la confirmation du boson de Higgs en 2012. Un boson de Higgs qui, d’ailleurs, participe à la chasse aux nouvelles forces, certain estimant que le champ de Higgs (ce qui donne leur masse aux particules) pourrait, dans certains cas, induire une interaction entre particules et donc être une force en soi.
Ce qui ressort de tout ceci est une tendance inverse à la tendance à l’unification des forces (le Grand Unification Theory) qui, depuis des décennies, vise à intégrer toutes les forces connues au sein d’une grande théorie unifiée, une Grande Théorie du Tout qui serait finalement plus un mirage qu’une réalité physique.
S’adapter pour survivre.
Faute de succès, ce qui prévaut actuellement est la diversification, la recherche de nouvelles forces ayant jusqu’ici échappé au radar des physiciens. On se rend compte que, sans elles, l’on arrive pas à fournir une explication cohérente de l’univers observable.
Les signatures de ces éventuelles forces sont peut-être cachées au fin fond de térabytes de données issues de milliers d’expériences, au CERN ou ailleurs, qu’il faut passer au tamis fin. Un travail de fourmi aujourd’hui rendu possible par l’intelligence artificielle, ceci en plus des nouvelles expériences spécifiquement étudiées pour dépister telle ou telle nouvelle interaction.
Il est très possible qu’en 2022, dix ans après l’événement du Higgs, après dix ans de frustrations au sein de la communauté scientifique, on mette le doigt sur une cinquième, voire une sixième force permettant de déconfiner les hypothèses vacillantes de notre Modèle Standard de la Physique de l’univers..
Liens et sources:
(1) https://zerhubarbeblog.net/2020/04/15/signes-dun-univers-parallele-en-marche-arriere/
(2) https://zerhubarbeblog.net/2020/01/13/lenergie-noire-au-fond-du-trou/
(3) https://arxiv.org/pdf/1408.1409.pdf
(4) https://zerhubarbeblog.net/2019/06/07/matiere-noire-miroir-de-lunivers/
