Des astronomes de l’université de Floride ont découvert, pour la première fois, la preuve d’une violation nécessaire de la symétrie à l’aube de l’univers en étudiant un million de milliards de quadruplets galactiques, révélant que l’univers préférait certaines formes à leur image miroir, un phénomène connu sous le nom de violation de la symétrie de parité. Cette découverte renforce non seulement l’aspect inflationniste de la théorie du Big Bang, mais fournit également un indice sur l’un des plus grands mystères de la cosmologie : pourquoi y a-t-il plus de matière que d’antimatière ?
La violation de la symétrie de parité détectée dans l’orientation des formations galactiques pourrait expliquer l’abondance de matière.
Pendant des générations, les physiciens étaient convaincus que les lois de la physique étaient parfaitement symétriques. Jusqu’à ce qu’elles ne le soient plus.
La notion de symétrie est nette et séduisante, mais elle s’effrite devant la réalité chaotique de notre univers. En fait, depuis les années 1960, il a fallu introduire une forme de symétrie brisée pour expliquer pourquoi il y a plus de matière que d’antimatière dans l’univers, c’est-à-dire pour expliquer pourquoi il existe quoi que ce soit.
Mais il a été impossible d’identifier la source de cette violation de symétrie existentielle, et même d’en trouver la preuve.
Pourtant, dans un nouvel article, des astronomes de l’Université de Floride ont trouvé la première preuve de cette violation nécessaire de la symétrie au moment de la création. Les scientifiques de l’Université de Floride ont étudié un million de milliards de quadruplets galactiques tridimensionnels dans l’univers et ont découvert qu’à un moment donné, l’univers a préféré un ensemble de formes à leurs images miroir.
Cette idée, connue sous le nom de violation de la symétrie de parité, indique une période infinitésimale de l’histoire de notre univers où les lois de la physique étaient différentes de ce qu’elles sont aujourd’hui, ce qui a eu d’énormes conséquences sur l’évolution de l’univers.
Cette découverte, établie avec un haut niveau de confiance statistique, a deux conséquences principales. Premièrement, cette violation de la parité n’a pu s’imprimer sur les futures galaxies qu’au cours d’une période d’inflation extrême dans les premiers instants de l’univers, confirmant ainsi un élément central de la théorie du Big Bang sur l’origine du cosmos.
La violation de parité permettrait également de répondre à la question peut-être la plus cruciale en cosmologie : Pourquoi y a-t-il quelque chose au lieu de rien ? En effet, la violation de la parité est nécessaire pour expliquer pourquoi il y a plus de matière que d’antimatière, une condition essentielle pour que les galaxies, les étoiles, les planètes et la vie se forment comme elles l’ont fait.
« J’ai toujours été intéressé par les grandes questions sur l’univers. Quel est le début de l’univers ? Quelles sont les règles qui régissent son évolution ? Pourquoi y a-t-il quelque chose plutôt que rien ? », a déclaré Zachary Slepian, professeur d’astronomie à l’UF, qui a supervisé la nouvelle étude. « Ce travail répond à ces grandes questions.
Slepian a travaillé avec le chercheur postdoctoral de l’UF et premier auteur de l’étude, Jiamin Hou, et le physicien du Lawrence Berkeley National Laboratory, Robert Cahn, pour effectuer l’analyse. Le trio a récemment publié ses conclusions dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Les mêmes chercheurs ont proposé pour la première fois l’idée de rechercher la violation de la parité en utilisant des quadruplets de galaxies dans un article qui a également été publié récemment dans Physical Review Letters.
La symétrie de parité est l’idée que les lois physiques ne devraient pas préférer une forme à son image. Les scientifiques utilisent généralement le terme de « main » pour décrire cette caractéristique, car nos mains gauche et droite sont des images en miroir que nous connaissons tous. Il est impossible de faire pivoter la main gauche en trois dimensions pour qu’elle ressemble à la main droite, ce qui signifie qu’on peut toujours les distinguer l’une de l’autre.
La violation de la parité signifierait que l’univers a une préférence pour les formes gauchères ou droitières. Pour découvrir le caractère droitier de l’univers, le laboratoire de Slepian a imaginé toutes les combinaisons possibles de quatre galaxies reliées par des lignes imaginaires dans l’espace. Cela donne un objet en 3D appelé tétraèdre, qui ressemble à une pyramide de travers – la forme la plus simple qui possède une image miroir. Les chercheurs ont défini des tétraèdres galactiques droitiers et gauchers en fonction de la manière dont les galaxies étaient reliées à leurs partenaires les plus proches et les plus éloignés dans ces formes imaginaires.
Leur méthode nécessitait l’analyse de mille milliards de tétraèdres imaginaires pour chacune d’un million de galaxies, soit un nombre de combinaisons époustouflant. « Nous avons fini par nous rendre compte qu’il nous fallait de nouvelles mathématiques », a déclaré M. Slepian.
L’équipe de Slepian a donc mis au point des formules mathématiques sophistiquées qui ont permis d’effectuer les immenses calculs dans un délai raisonnable. Cela nécessite néanmoins une puissance de calcul considérable. « La technologie unique dont dispose l’UF avec le superordinateur HiPerGator nous a permis d’effectuer l’analyse des milliers de fois avec différents paramètres pour tester nos résultats », a-t-il déclaré.
Les aspects techniques de l’analyse font qu’il est difficile de dire si l’univers préfère les formes « droitières » ou « gauchères », mais les scientifiques ont vu des preuves évidentes que le cosmos a une préférence. Ils ont établi leur découverte avec un degré de certitude connu sous le nom de sept sigma, une mesure de l’improbabilité d’un résultat basé sur le seul hasard. En physique, un résultat ayant une valeur sigma de cinq ou plus est généralement considéré comme fiable, car les chances d’obtenir un résultat par hasard à ce niveau sont infiniment petites. Une analyse similaire, menée par un ancien membre du laboratoire Slepian, a identifié la même préférence universelle pour la forme, bien qu’avec une confiance statistique légèrement moindre en raison de différences dans la conception de l’étude.
Bien que les scientifiques soient confiants dans ce signal de violation de la parité, il reste possible que l’incertitude des mesures sous-jacentes puisse expliquer l’asymétrie. Heureusement, des échantillons de galaxies beaucoup plus importants provenant de télescopes de nouvelle génération pourraient fournir suffisamment de données pour effacer ces incertitudes dans quelques années seulement. Le groupe de Slepian à l’UF effectuera son analyse sur ces nouvelles données plus robustes dans le cadre de l’équipe du télescope Dark Energy Spectroscopic Instrument.
Ce n’est pas la première fois qu’une violation de la parité est repérée, mais c’est la première preuve d’une violation de la parité qui pourrait affecter le regroupement tridimensionnel des galaxies dans l’univers. L’une des forces fondamentales, la force faible, viole également la parité. Mais sa portée est extrêmement limitée et elle ne peut pas influencer l’échelle des galaxies. Pour influencer les galaxies, il faudrait qu’une violation de la parité se produise au moment du Big Bang, une période connue sous le nom d’inflation.
« Étant donné que la violation de la parité ne peut être imprimée dans l’univers que pendant l’inflation, si ce que nous avons découvert est vrai, cela constitue une preuve irréfutable de l’inflation », a déclaré M. Slepian.
La violation de la parité de la force faible ne peut pas non plus expliquer l’abondance de la matière. Dans un univers symétrique, le Big Bang aurait dû créer des quantités égales de matière et d’antimatière, qui se seraient annihilées l’une l’autre et auraient laissé l’univers dépourvu d’étoiles et de planètes. Étant donné que nous nous sommes retrouvés avec un univers principalement constitué de matière, les physiciens ont longtemps cherché un signe d’asymétrie dans la création initiale.
Les résultats obtenus par le laboratoire de Slepian ne permettent pas encore d’expliquer comment nous nous sommes retrouvés avec cette abondance cruciale de matière. Le « comment » nécessitera une nouvelle physique allant au-delà du modèle standard, qui explique notre univers actuel. Mais les nouveaux résultats suggèrent fortement qu’il y a eu une asymétrie dès les premiers instants du Big Bang.
La course est désormais lancée pour que les scientifiques élaborent une théorie capable d’expliquer la préférence pour l’image miroir de l’univers et l’excès de matière.
Références : « Measurement of parity-odd modes in the large-scale 4-point correlation function of Sloan Digital Sky Survey Baryon Oscillation Spectroscopic Survey twelfth data release CMASS and LOWZ galaxies » par Jiamin Hou, Zachary Slepian et Robert N Cahn, 22 mai 2023, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
DOI : 10.1093/mnras/stad1062
« Test for Cosmological Parity Violation Using the 3D Distribution of Galaxies » par Robert N. Cahn, Zachary Slepian et Jiamin Hou, 19 mai 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.201002