Joseph Norman
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Et si je vous disais que notre univers était inondé de centaines de types de particules presque invisibles et que, il y a longtemps, ces particules formaient un réseau de chaînes couvrant l'univers?
Cela semble à la fois trippant et génial, mais c'est en fait une prédiction de la théorie des cordes, notre meilleure tentative (mais malheureusement incomplète) d'une théorie de tout. Ces petites particules bizarres, quoique hypothétiques, sont connues sous le nom d'axions, et si elles peuvent être trouvées, cela signifierait que nous vivons tous dans un vaste «axivers».
La meilleure partie de cette théorie est qu'il ne s'agit pas seulement d'une hypothèse de fauteuil d'un physicien, sans possibilité de test. Ce réseau de chaînes incroyablement énorme pourrait être détecté dans un proche avenir avec des télescopes à micro-ondes en cours de construction..
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S'il était trouvé, l'axivers nous donnerait une avancée majeure dans la découverte du puzzle de ... eh bien, toute la physique.
Une symphonie de cordes
OK, passons aux choses sérieuses. Tout d'abord, nous devons apprendre à connaître un peu mieux l'axion. L'axion, nommé par le physicien (et, plus tard, lauréat du prix Nobel) Frank Wilczek en 1978, tire son nom du fait qu'il est supposé exister à partir d'un certain type de rupture de symétrie. Je sais, je sais - plus de jargon. Attendez. Les physiciens adorent les symétries - lorsque certains modèles apparaissent en mathématiques.
Il existe un type de symétrie, appelé symétrie CP, qui dit que la matière et l'antimatière doivent se comporter de la même manière lorsque leurs coordonnées sont inversées. Mais cette symétrie ne semble pas s'inscrire naturellement dans la théorie de la force nucléaire forte. Une solution à ce puzzle est d'introduire une autre symétrie dans l'univers qui «corrige» cette mauvaise conduite. Cependant, cette nouvelle symétrie n'apparaît qu'à des énergies extrêmement élevées. Aux basses énergies quotidiennes, cette symétrie disparaît, et pour en tenir compte, une nouvelle particule apparaît - l'axion.
Maintenant, nous devons nous tourner vers la théorie des cordes, qui est notre tentative (et a été notre principale tentative depuis une cinquantaine d'années maintenant) d'unifier toutes les forces de la nature, en particulier la gravité, dans un cadre théorique unique. Il s'est avéré être un problème particulièrement épineux à résoudre, en raison d'une variété de facteurs, dont le moindre n'est pas que, pour que la théorie des cordes fonctionne (en d'autres termes, pour que les mathématiques aient même l'espoir de travailler), notre l'univers doit avoir plus que les trois dimensions habituelles de l'espace et une du temps; il doit y avoir des dimensions spatiales supplémentaires.
Ces dimensions spatiales ne sont pas visibles à l'œil nu, bien sûr; sinon, nous aurions remarqué ce genre de chose. Les dimensions supplémentaires doivent donc être minuscules et recroquevillées sur elles-mêmes à des échelles si petites qu'elles échappent aux efforts normaux pour les repérer..
Ce qui rend cela difficile, c'est que nous ne savons pas exactement comment ces dimensions supplémentaires se replient sur elles-mêmes, et il y a quelque part environ 10 ^ 200 façons de le faire..
Mais ce que ces arrangements dimensionnels semblent avoir en commun est l'existence d'axions, qui, dans la théorie des cordes, sont des particules qui s'enroulent autour de certaines des dimensions enroulées et restent bloquées..
De plus, la théorie des cordes ne prévoit pas un seul axion, mais potentiellement des centaines de types différents, à une variété de masses, y compris l'axion qui pourrait apparaître dans les prédictions théoriques de la force nucléaire forte..
Cordes idiotes
Donc, nous avons beaucoup de nouveaux types de particules avec toutes sortes de masses. Génial! Les axions pourraient-ils constituer de la matière noire, qui semble être responsable de donner aux galaxies la majeure partie de leur masse mais qui ne peut pas être détectée par des télescopes ordinaires? Peut-être; c'est une question ouverte. Mais les axions en tant que matière noire doivent faire face à des tests d'observation difficiles, de sorte que certains chercheurs se concentrent plutôt sur l'extrémité plus claire des familles d'axions, explorant des moyens de les trouver..
Et quand ces chercheurs commencent à creuser dans le comportement prédit de ces axions poids plume dans l'univers primitif, ils trouvent quelque chose de vraiment remarquable. Dans les premiers instants de l'histoire de notre cosmos, l'univers a traversé des transitions de phase, changeant tout son caractère d'états exotiques à haute énergie à des états réguliers à basse énergie..
Au cours de l'une de ces transitions de phase (qui s'est produite lorsque l'univers avait moins d'une seconde), les axions de la théorie des cordes n'apparaissaient pas comme des particules. Au lieu de cela, ils ressemblaient à des boucles et des lignes - un réseau de cordes légères et presque invisibles sillonnant le cosmos.
Cet axivers hypothétique, rempli d'une variété de cordes d'axions légères, n'est prédit par aucune autre théorie de la physique que la théorie des cordes. Donc, si nous déterminons que nous vivons dans un axivers, ce serait une aubaine majeure pour la théorie des cordes.
Un changement de lumière
Comment pouvons-nous rechercher ces chaînes d'axions? Les modèles prédisent que les cordes d'axions ont une masse très faible, de sorte que la lumière ne heurtera pas un axion et ne se pliera pas, ou les axions ne se mêleront probablement pas à d'autres particules. Il pourrait y avoir des millions de cordes d'axions flottant dans la Voie lactée en ce moment, et nous ne les verrions pas.
Mais l'univers est vieux et grand, et nous pouvons l'utiliser à notre avantage, surtout une fois que nous reconnaissons que l'univers est également rétro-éclairé.
Le fond cosmique micro-ondes (CMB) est la plus ancienne lumière de l'univers, émise alors qu'il n'était qu'un bébé - environ 380 000 ans. Cette lumière a imprégné l'univers pendant tous ces milliards d'années, filtrant à travers le cosmos jusqu'à ce qu'elle atteigne enfin quelque chose, comme nos télescopes à micro-ondes..
Ainsi, quand nous regardons le CMB, nous le voyons à travers des milliards d'années-lumière d'univers. C'est comme regarder la lueur d'une lampe de poche à travers une série de toiles d'araignée: s'il y a un réseau de cordes d'axions enfilées à travers le cosmos, nous pourrions potentiellement les repérer.
Dans une étude récente, publiée dans la base de données arXiv le 5 décembre, un trio de chercheurs a calculé l'effet qu'un axivers aurait sur la lumière CMB. Ils ont constaté que, selon la façon dont un peu de lumière passe près d'une chaîne d'axions particulière, la polarisation de cette lumière pouvait se déplacer. C'est parce que la lumière CMB (et toute la lumière) est faite d'ondes de champs électriques et magnétiques, et la polarisation de la lumière nous indique comment les champs électriques sont orientés - quelque chose qui change lorsque la lumière CMB rencontre un axion. Nous pouvons mesurer la polarisation de la lumière CMB en faisant passer le signal à travers des filtres spécialisés, ce qui nous permet de détecter cet effet.
Les chercheurs ont constaté que l'effet total sur le CMB d'un univers rempli de chaînes introduisait un changement de polarisation d'environ 1%, ce qui est juste à la limite de ce que nous pouvons détecter aujourd'hui. Mais les futurs mappeurs CMB, tels que le satellite Cosmic Origins Explorer, Lite (Light) pour les études de polarisation en mode B et d'inflation à partir de la détection de rayonnement de fond cosmique (LiteBIRD), et le Primordial Inflation Explorer (PIXIE), sont en cours de conception. Ces télescopes futuristes seraient capables de flairer un axivers. Et une fois que ces mappeurs seront en ligne, nous constaterons que nous vivons dans un axivers ou exclurons cette prédiction particulière de la théorie des cordes..
De toute façon, il y a beaucoup à démêler.
Paul M. Sutter est astrophysicien à Université d'État de l'Ohio, hôte de Demandez à un Spaceman et Radio spatiale, et auteur de Votre place dans l'univers.
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Publié à l'origine le .
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