En physique, il arrive parfois qu'une idée que les scientifiques avaient depuis longtemps déclarée morte retrouve soudain une nouvelle jeunesse. C'est exactement ce qui s'est produit avec une hypothèse du XIXe siècle, lorsque le physicien écossais Lord Kelvin imaginait les atomes comme de minuscules nœuds dans un « éther » infini. Cette image s'est rapidement effondrée sous l'assaut de l'atomistique moderne – mais aujourd'hui, près d'un siècle et demi plus tard, l'idée mathématique des nœuds revient sur scène dans un contexte complètement différent : comme une clé possible pour répondre à la question de savoir pourquoi l'univers tel que nous le connaissons existe.

Un nouveau travail théorique d'une équipe de physiciens japonais montre que des « nœuds cosmiques » – des structures exotiques, protégées topologiquement dans les champs qui décrivent les particules et les forces – peuvent se former naturellement dans l'univers primordial. Ces nœuds, s'ils ont réellement existé, pourraient expliquer pourquoi un petit excès de matière ordinaire par rapport à l'antimatière est resté après le Big Bang. Sans cet excès microscopique, l'univers serait aujourd'hui rempli uniquement de rayonnement, et non de galaxies, d'étoiles et de nous-mêmes.

L'étude a été publiée dans la prestigieuse revue Physical Review Letters et provient d'un environnement de recherche international réuni autour de l'Université d'Hiroshima. Dans ce travail, les physiciens relient plusieurs des plus grandes énigmes de la cosmologie moderne – l'origine de l'excès de matière, la matière noire, les masses des particules neutrinos et le soi-disant problème CP fort – dans un seul cadre commun basé sur l'idée de nœuds dans les champs.

Lord Kelvin, l'Éther et les Nœuds : D'une Image Manquée des Atomes à la Cosmologie Moderne

Lorsque Lord Kelvin proposa en 1867 que les atomes étaient en réalité des nœuds stables dans un éther hypothétique, la physique ne connaissait ni l'électron, ni le proton, ni la mécanique quantique. Elle cherchait refuge dans les milieux continus et les images géométriques. Comme les expériences du début du XXe siècle montrèrent que l'éther n'existe pas, et que la structure atomique se réduisait aux noyaux et aux électrons, Kelvin fut rapidement cité par tous comme un exemple de concept beau, mais faux.

Néanmoins, la théorie mathématique des nœuds elle-même – la manière dont des boucles fermées peuvent s'emmêler, s'entrelacer et se déformer sans se rompre – a continué à se développer en mathématiques pures et plus tard en physique de la matière condensée, et même dans les descriptions de champs en physique des particules. En topologie, une branche des mathématiques qui étudie les propriétés qui ne disparaissent pas lorsque l'on étire ou tord un objet, les nœuds représentent des configurations particulièrement stables : pour les défaire, il faut couper le fil.

Dans le nouveau travail de l'équipe japonaise, cette ancienne idée topologique ne revient pas sous la forme d'atomes noués, mais comme des nœuds dans les champs invisibles qui imprègnent l'univers après le Big Bang. Ces nœuds ne sont pas des objets que nous pourrions jamais « voir » avec un télescope comme une corde ou un câble, mais des configurations abstraites dans les équations qui décrivent les forces et les particules fondamentales. Cependant, leur présence pourrait laisser des traces très réelles dans la structure de l'univers.

Le Problème de l'Antimatière Manquante et la Baryogenèse

Selon le scénario standard du Big Bang, l'univers aurait dû créer des quantités presque égales de matière et d'antimatière au tout début. Chaque particule a son jumeau d'antimatière – l'électron a son positron, le proton son antiproton. Lorsqu'ils se rencontrent, ils s'annihilent mutuellement et se transforment en pur rayonnement. Si le rapport initial était effectivement de un pour un, il est naturel de s'attendre à ce qu'après un court laps de temps, tout le contenu de l'univers ait disparu dans un éclair de rayons gamma.

Au lieu de cela, les observations montrent que l'univers visible est presque entièrement construit de matière, tandis que l'antimatière est extrêmement rare. Les calculs théoriques indiquent que pour chaque milliard de paires particule-antiparticule, seule une pièce « excédentaire » de matière a survécu. C'est précisément cet excès miniature qui a permis la formation des atomes, des étoiles, des galaxies et de la vie. Le processus qui a produit cet excès s'appelle la baryogenèse, mais son mécanisme exact reste l'une des questions ouvertes les plus profondes de la cosmologie.

Le Modèle Standard de la physique des particules – le cadre théorique qui décrit brillamment presque toutes les particules et forces connues, à l'exception de la gravité – ne parvient pas à expliquer une asymétrie aussi grande entre matière et antimatière. Des ingrédients supplémentaires sont nécessaires, de nouvelles symétries et des particules qui dépassent ce qui a déjà été découvert dans les expériences d'accélérateurs. Le nouveau modèle de nœuds cosmiques tente de s'intégrer précisément ici, offrant un moyen naturel de créer l'excès de matière sans introduire un trop grand nombre d'éléments ad hoc.

L'Équipe d'Hiroshima et l'Institut pour les États de Matière « Noués »

La recherche est signée par des physiciens réunis autour de l'Institut International pour la Durabilité avec la Méta-matière Chirale Entrelacée (WPI-SKCM²) de l'Université d'Hiroshima, ainsi que des collaborateurs de l'Université Keio au Japon et du laboratoire allemand Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY). Il s'agit d'un centre interdisciplinaire qui traite des phénomènes où les « nœuds » et les structures topologiques apparentées jouent un rôle dans divers domaines – d'une nouvelle génération de matériaux à la physique fondamentale.

Les auteurs de l'étude combinent des connaissances issues de la physique théorique des particules, de la cosmologie et de la topologie mathématique. Dans leur travail, ils montrent que dans une extension réaliste du Modèle Standard, telle que celle habituellement étudiée pour les masses des neutrinos et la matière noire, des nœuds topologiques se forment spontanément dans les champs. Ces nœuds, qu'ils appellent solitons nœuds, ne sont pas seulement une curiosité mathématique exotique, mais peuvent jouer un rôle clé dans la baryogenèse.

Deux Anciennes Symétries dans une Nouvelle Combinaison : B–L et Peccei–Quinn

Au cœur du nouveau modèle se trouvent deux symétries que les physiciens étudient depuis des décennies, mais que personne n'avait systématiquement combinées jusqu'à présent dans un scénario unifié pour l'univers primordial. La première est la soi-disant symétrie B–L, qui fait référence à la différence entre le nombre de baryons (particules comme les protons et les neutrons) et de leptons (comme les électrons et les particules neutrinos). Dans cette théorie, B–L n'est pas seulement une quantité comptable pratique, mais une symétrie de jauge (en anglais: gauge symmetry), ce qui signifie qu'elle nécessite une nouvelle force avec des « porteurs » d'interaction correspondants.

La deuxième composante clé est la symétrie Peccei–Quinn (PQ), introduite pour résoudre le soi-disant problème CP fort. Ce problème découle du fait que la théorie de la force nucléaire forte aurait dû en principe permettre une légère violation de la symétrie entre matière et antimatière, mais les expériences ne trouvent pas un tel effet dans les propriétés du neutron depuis des décennies. La symétrie Peccei–Quinn élimine élégamment ce terme indésirable et introduit par conséquent une nouvelle particule hypothétique – l'axion – l'un des principaux candidats à la matière noire.

Le simple fait que la symétrie PQ résolve le problème CP fort et fournisse un candidat pour la matière noire la rend extrêmement attrayante. Mais les auteurs du nouvel article ont décidé de la « coupler » à la symétrie B–L. Ce faisant, ils choisissent avec soin que PQ reste une symétrie globale (c'est-à-dire qu'elle ne devienne pas une nouvelle force), afin de préserver l'équilibre délicat nécessaire pour que l'axion conserve les propriétés souhaitées. B–L, d'autre part, est introduite comme une symétrie locale (de jauge), ce qui conduit naturellement à l'existence de neutrinos lourds à droite – des particules qui s'imposent de toute façon dans la plupart des scénarios de baryogenèse.

Des Cordes Cosmiques aux Nœuds dans le Champ

Dans l'univers très précoce, immédiatement après le Big Bang, les températures étaient si élevées que les forces et les particules se comportaient différemment d'aujourd'hui. À mesure que l'univers s'est dilaté et refroidi, il est passé par une série de transitions de phase – des changements soudains dans l'état des champs, similaires à la congélation de l'eau en glace, mais au niveau des forces fondamentales. Ces transitions de phase auraient pu laisser des « cicatrices » dans la structure de l'espace, connues sous le nom de défauts topologiques.

Un type de tels défauts sont les cordes cosmiques – des « fissures » extrêmement minces, mais massives dans les champs, qui s'étendent à travers l'univers comme des fils tendus. Bien que toujours hypothétiques, les cordes cosmiques apparaissent souvent dans les théories de grande unification et autres extensions du Modèle Standard. Dans le nouveau travail, la rupture de la symétrie B–L crée des tubes de flux magnétique (cordes), tandis que la symétrie PQ donne naissance à des structures de vortex semblables à des vortex suprafluides.

L'idée clé est que ces deux types de défauts peuvent se « verrouiller » mutuellement dans une configuration plus stable. La corde B–L transporte un flux magnétique, tandis que le vortex PQ n'a pas de flux propre, mais par le biais du soi-disant couplage de Chern–Simons, il peut « pomper » une charge dans le tube magnétique. De cette manière, la tension qui couperait autrement l'anneau de la corde est équilibrée par l'énergie supplémentaire de la structure connectée, et l'ensemble de la combinaison devient un nœud métastable – un soliton topologique qui ne peut pas être simplement étiré dans une configuration plate.

De tels nœuds ne sont pas seulement un dessin mathématique sur un tableau. Leur masse et leur énergie peuvent être énormes à l'échelle de l'univers primordial, et grâce à la protection topologique, ils peuvent vivre assez longtemps pour influencer la dynamique de l'expansion de l'univers. C'est précisément cette longévité qui ouvre un espace pour un scénario dans lequel les nœuds prennent une domination temporaire sur la densité énergétique totale de l'univers.

L'« Ère Dominée par les Nœuds » – Une Période où les Nœuds Régnaient sur l'Univers

Les auteurs introduisent le terme « ère dominée par les nœuds » (en anglais: knot-dominated era), une brève période après le Big Bang au cours de laquelle l'énergie stockée dans les nœuds dépasse l'énergie du rayonnement et de la matière ordinaire. Alors que les photons sont dilués et perdent de l'énergie à mesure que l'univers grandit, les nœuds se comportent davantage comme de la matière froide : leur densité diminue plus lentement, de sorte qu'ils peuvent devenir la composante dominante du budget énergétique total.

Mais cette domination ne dure pas éternellement. Bien que protégés topologiquement, les nœuds peuvent se désintégrer par effet tunnel quantique – un processus dans lequel un système franchit une barrière d'énergie qui lui serait classiquement inaccessible. Par effet tunnel, le nœud peut se « dénouer » et libérer son énergie sous forme de particules. Dans ce modèle, c'est précisément cet effondrement qui déclenche la chaîne d'événements qui crée l'excès de matière.

Lorsque le nœud se désintègre, il libère un grand nombre de neutrinos lourds à droite, de scalaires et de nouveaux bosons associés à la symétrie B–L. Ces neutrinos lourds se désintègrent ensuite en particules plus légères avec un léger biais en faveur de la matière par rapport à l'antimatière. Cette petite, mais systématique « inclinaison » est suffisante pour créer l'asymétrie initiale. À l'étape suivante, des processus électrofaibles connus dans l'univers chaud convertissent cette asymétrie en un excès permanent de baryons – les protons et les neutrons dont nous sommes construits.

En calculant l'efficacité des nœuds à créer ces neutrinos lourds, quelle masse ces particules ont, et comment elles réchauffent l'univers lors de la désintégration, les auteurs montrent que le modèle conduit naturellement à une température de soi-disant réchauffement d'environ 100 gigaélectronvolts (GeV). Il est intéressant de noter que c'est précisément autour de cette échelle d'énergie que se ferme la fenêtre pour les processus qui peuvent convertir l'asymétrie leptonique en asymétrie baryonique. En d'autres termes, le modèle « frappe » un moment physiquement pertinent dans l'histoire de l'univers où l'asymétrie a dû se solidifier si elle voulait survivre jusqu'à aujourd'hui.

Signature Potentielle des Ondes Gravitationnelles des Nœuds

L'un des plus grands avantages du modèle des nœuds cosmiques est qu'il offre une trace concrète, physiquement mesurable, que les futures expériences pourraient rechercher : un fond d'ondes gravitationnelles. On s'attend à ce que les nœuds et les réseaux de cordes qui les forment émettent des ondes gravitationnelles – des ondulations dans la structure même de l'espace-temps – tout au long de leur vie, chaque fois que les fils emmêlés tressautent, se joignent ou se désintègrent.

Un tel signal ne ressemblerait pas à l'éclair bref que les détecteurs enregistrent occasionnellement aujourd'hui lors de collisions de trous noirs. Au lieu de cela, il s'agirait d'un « fond sonore » continu – un bruit d'ondes gravitationnelles de différentes fréquences, dont le spectre pourrait différer des autres modèles théoriques de l'univers primordial. Selon le calcul des auteurs, la domination des nœuds et leur désintégration pourraient décaler le spectre gravitationnel vers des fréquences plus élevées, dans la plage où les futures missions auront la meilleure sensibilité.

L'Agence Spatiale Européenne planifie la mission LISA (Laser Interferometer Space Antenna), un interféromètre spatial sensible aux ondes gravitationnelles de moyennes fréquences, tandis qu'aux États-Unis et au Japon, les projets Cosmic Explorer et DECIGO sont en préparation. Si ces détecteurs enregistrent un fond d'ondes gravitationnelles dans les décennies à venir qui correspond à la « signature » prédite des nœuds, ce serait un argument fort – bien que pas nécessairement définitif – en faveur de ce scénario.

Un avantage supplémentaire est que le modèle n'est pas isolé : le même cadre prédit l'axion comme candidat pour la matière noire et les neutrinos lourds à droite qui participent à la création de l'excès de matière. La recherche sur l'axion et les neutrinos sont déjà des domaines expérimentaux distincts. Si des traces de l'axion, des propriétés spécifiques des particules neutrinos et du fond gravitationnel correspondant apparaissent en parallèle dans les laboratoires et les observations cosmiques, la mosaïque pourrait s'assembler en une image cohérente.

Ce que la Nouvelle Théorie Signifie pour Notre Image de l'Univers

Il est important de souligner qu'il s'agit d'un modèle purement théorique. Personne n'a encore « vu » un nœud cosmique, ni n'existe d'expérience qui pourrait l'enregistrer directement. Les chercheurs travaillent avec des équations de champ, des symétries et des arguments topologiques, construisant un scénario qui est mathématiquement cohérent et conforme aux contraintes physiques connues. Leur travail montre que de tels nœuds ne sont pas interdits par les connaissances existantes et qu'ils peuvent apparaître de manière naturelle dans le cadre d'une extension réaliste du Modèle Standard.

Pour la physique des particules, le scénario est intéressant car il regroupe plusieurs problèmes en un seul paquet au lieu d'introduire une solution séparée pour chacun. La symétrie B–L introduit des particules neutrinos lourdes qui sont nécessaires de toute façon pour expliquer les masses des neutrinos ordinaires. La symétrie Peccei–Quinn résout le problème CP fort et ouvre la porte à l'axion en tant que candidat pour la matière noire. Les nœuds cosmiques apparaissent comme une conséquence de ces mêmes symétries et s'occupent ainsi de la baryogenèse, c'est-à-dire de l'excès de matière. Cela confère à la théorie une dose d'« économie » que les physiciens apprécient.

Pour la cosmologie, le modèle présente une autre histoire possible sur ce qui s'est passé dans les premières fractions de seconde après le Big Bang. Au cours des dernières décennies, des dizaines de mécanismes de baryogenèse différents ont été proposés, de la leptogenèse aux transitions de phase en passant par des particules exotiques à courte durée de vie. Beaucoup d'entre eux sont difficiles à tester, précisément parce qu'ils se déroulent à des énergies et des temps que nous ne pouvons pas atteindre directement. Les nœuds cosmiques se distinguent par le fait que leur « écho » dans les ondes gravitationnelles pourrait être à la portée des futures observations.

Bien sûr, le même « chant » de fond gravitationnel pourrait être expliqué par un autre modèle – par exemple, un réseau de cordes cosmiques ordinaires créées lors de la grande unification ou d'autres processus exotiques dans l'univers primordial. Même si les futures observations montrent un signal, toute une série de tests et de comparaisons supplémentaires seront nécessaires pour réduire l'espace des explications possibles. Mais le fait que la nouvelle théorie soit même falsifiable, c'est-à-dire qu'elle offre des prédictions claires, en fait un candidat sérieux dans le jeu.

Les auteurs de l'article soulignent que la prochaine étape est une modélisation plus précise de la formation et de la désintégration des nœuds, ainsi qu'une simulation détaillée de leur « partition » d'ondes gravitationnelles. Il est nécessaire d'étudier pour quelles valeurs de paramètres – masses des particules, forces de couplage et temps de transitions de phase – les nœuds apparaissent assez souvent et vivent assez longtemps pour avoir réellement un effet observable. Ce n'est qu'alors qu'il sera possible d'analyser en parallèle ce qui est attendu des futurs détecteurs et d'autres expériences.

La Topologie comme Fil qui Relie l'Univers Micro et Macro

Peut-être l'aspect philosophique le plus intéressant de cette histoire est qu'il souligne à nouveau le pouvoir de la topologie dans la compréhension de la nature. Kelvin soupçonnait intuitivement au XIXe siècle que les nœuds pourraient jouer un rôle dans la structure de la matière, bien qu'il n'ait pas eu le bon outil mathématique ou expérimental pour le prouver. Aujourd'hui, alors que la physique des champs et les simulations numériques permettent la description de configurations extrêmement complexes, l'ancienne idée prend une nouvelle forme, beaucoup plus sophistiquée.

Les nœuds dans le champ – solitons topologiques – apparaissent dans diverses branches de la physique, par exemple dans les matériaux magnétiques, les suprafluides et les liquides quantiques. S'il est confirmé que des structures similaires ont également joué un rôle dans la cosmologie primordiale, cela signifierait que les mêmes principes mathématiques relient la phénoménologie à des échelles complètement différentes : des échantillons de matériaux de laboratoire à l'univers entier. Une telle « universalité » des idées topologiques est l'une des raisons pour lesquelles une attention scientifique croissante leur est accordée.

Pour l'instant, les nœuds cosmiques restent un scénario élégant, mais encore non prouvé. Mais la simple possibilité que le problème de l'antimatière « manquante » puisse être résolu en recyclant l'une des idées les plus inhabituelles du XIXe siècle nous rappelle à quel point la science est parfois non linéaire. Des idées qui semblent un jour abandonnées à jamais peuvent, dans un contexte complètement différent et avec un appareil beaucoup plus riche, revenir comme des candidats sérieux pour expliquer les énigmes les plus profondes de l'univers.