Pourquoi, alors, le temps semble-t-il évoluer dans une seule direction?
L'une des réponses possibles peut également révéler les secrets de la masse manquante. Certains des faits de notre expérience sont aussi évidents et répandus que la différence entre le passé et le futur. Nous nous souvenons d'une chose, mais nous en attendons une autre. Si vous exécutez le film dans la direction opposée, cela ne sera pas réaliste. Nous disons «flèche du temps», c'est-à-dire le chemin du passé vers le futur.
On pourrait supposer que l'existence de la flèche du temps est inscrite dans les lois fondamentales de la physique. Mais le contraire est aussi vrai. Si vous faisiez un film sur des événements subatomiques, vous trouveriez que sa version inversée dans le temps semble tout à fait raisonnable. Plus précisément, les lois fondamentales de la physique - à l'exception de minuscules exceptions exotiques, sur lesquelles nous reviendrons - fonctionneront indépendamment du fait que nous tournions le levier du temps vers l'avant ou vers l'arrière. Dans le contexte des lois fondamentales de la physique, la flèche du temps est réversible.
Logiquement, une transformation qui inverse le sens du temps doit aussi changer les lois fondamentales. Le bon sens dicte ce qui devrait. Mais ça ne change pas. Les physiciens utilisent un acronyme pratique pour décrire ce fait. Ils appellent la transformation qui inverse la flèche du temps, simplement T, à partir du renversement du temps. Et le fait que T ne change pas les lois fondamentales est appelé "T-invariance" ou "T-symétrie".
L'expérience quotidienne viole l'invariance T, alors que les lois fondamentales la respectent. Cet écart flagrant soulève des questions difficiles. Comment le monde réel, dont les lois fondamentales respectent la symétrie en T, parvient-il à paraître si asymétrique? Est-il possible qu'un jour nous trouvions des êtres vivant dans le rythme opposé du temps - qui rajeunissent en vieillissant? Pouvons-nous, par un processus physique, inverser notre propre flèche du temps?
Ce sont des questions intéressantes, et nous y reviendrons plus tard. Dans cet article, Frank Wilczek, physicien théoricien au Massachusetts Institute of Technology et lauréat du prix Nobel, a décidé de couvrir une autre question. Il survient lorsque vous commencez à l'autre bout, dans le cadre d'une expérience partagée. L'énigme est-ce?
Pourquoi les lois fondamentales ont-elles cette propriété problématique et étrange, l'invariance T?
La réponse qui peut être offerte aujourd'hui est incomparablement plus profonde et plus complexe que ce que nous pouvions offrir il y a 50 ans. La compréhension d'aujourd'hui a émergé de l'interaction brillante de la découverte expérimentale et de l'analyse théorique, qui ont remporté plusieurs prix Nobel. Mais notre réponse manque certains éléments. Leur recherche peut nous conduire à une récompense inattendue: la définition de la «matière noire» cosmologique.
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L'histoire moderne de l'invariance T a commencé en 1956. Cette année-là, T. D. Lee et C. N. Young ont remis en question une autre caractéristique, mais connexe, de la loi physique qui était auparavant considérée comme acquise. Lee et Young n'étaient pas dérangés par T lui-même, mais par son homologue spatial, la transformation de parité de P. Alors que T implique la visualisation de films remontant dans le temps, P inclut la visualisation de films reflétés dans un miroir. L'invariance P est l'hypothèse que les événements que vous voyez dans les films réfléchis obéissent aux mêmes lois que dans les originaux. Lee et Young ont identifié des incohérences indirectes dans cette hypothèse et ont proposé une expérience importante pour les tester. Des expériences sur plusieurs mois ont montré que l'invariance P est violée dans de nombreux cas. (L'invariance P est conservée pour les interactions gravitationnelles, électromagnétiques et fortes,mais généralement violé pour les interactions faibles).
Ces événements dramatiques autour de l'invariance P- (non) ont conduit les physiciens à réfléchir à l'invariance T, une hypothèse connexe qui était également autrefois prise pour acquise. Cependant, l'hypothèse d'invariance T fait l'objet de tests rigoureux depuis plusieurs années. Ce n'est qu'en 1964 qu'un groupe dirigé par James Cronin et Valentina Fitch a découvert un effet subtil et particulier dans les désintégrations des mésons K, qui viole l'invariance T.
La sagesse de la compréhension de John Mitchell - que "vous ne savez pas ce que vous avez jusqu'à ce qu'il soit parti" - a été prouvée par la suite.
Si, comme les petits enfants, nous continuons à demander «pourquoi?» Nous obtiendrons des réponses plus profondes pendant un certain temps, mais finalement nous toucherons le fond lorsque nous arriverons à une vérité que nous ne pouvons pas expliquer plus simplement. En ce moment, nous déclarons la victoire: «Tout est comme il est». Mais si nous trouvons plus tard des exceptions à notre supposée vérité, cette réponse ne nous satisfera plus. Nous devons avancer.
Tant que l'invariance T est une vérité universelle, l'utilité de notre question au début n'est pas claire. Pourquoi l'univers T-invariant? Juste parce que. Mais après Cronin et Fitch, le puzzle de l'invariance T ne peut tout simplement pas être ignoré.
De nombreux physiciens théoriciens ont été confrontés au problème épineux de comprendre comment l'invariance T peut être extrêmement précise, mais pas tout à fait. Et ici, le travail de Makoto Kobayashi et Toshihide Maskawa s'est avéré utile. En 1973, ils ont suggéré que l'invariance T approximative était une conséquence accidentelle d'autres principes plus profonds.
Le temps a passé. Peu de temps auparavant, les contours du modèle standard moderne de physique des particules élémentaires ont été dessinés, et avec eux un nouveau niveau de transparence des interactions fondamentales. En 1973, il y avait un cadre théorique puissant - et empiriquement réussi - basé sur plusieurs «principes sacrés». Ce sont la relativité, la mécanique quantique et une règle mathématique d'uniformité appelée symétrie de jauge.
Mais faire fonctionner toutes ces idées ensemble s'est avéré difficile. Ensemble, ils limitent considérablement les possibilités d'interactions de base.
Kobayashi et Maskawa, en deux courts paragraphes, ont fait deux choses. Premièrement, ils ont montré que si nous limitons la physique aux particules alors connues (par exemple, s'il n'y avait que deux familles de quarks et de leptons), alors toutes les interactions permises par les principes sacrés suivent également l'invariance T. Si Cronin et Fitch n'avaient jamais fait leur découverte, ce ne serait pas le cas. Mais ils l'ont fait, et Kobayashi et Maskawa sont allés encore plus loin. Ils ont montré que si nous introduisons un ensemble spécial de nouvelles particules (la troisième famille), ces particules entraîneront de nouvelles interactions, conduisant à des violations de l'invariance T. À première vue, exactement ce que le médecin a ordonné.
Dans les années qui ont suivi, leur brillant exemple de travail de détective était pleinement justifié. Les nouvelles particules que Kobayashi et Maskawa ont admis exister ont été découvertes et leurs interactions se sont avérées être exactement ce qu'elles auraient dû être.
Attention, question. Ces principes sacrés sont-ils vraiment sacrés? Bien sûr que non. Si les expériences conduisent les scientifiques à compléter ces principes, elles compléteront certainement. Pour le moment, les principes sacrés semblent très bons. Et ils ont été assez fructueux pour les prendre au sérieux.
Jusqu'à présent, ce fut une histoire de triomphe. La question que nous nous sommes posée au début, l'une des énigmes les plus difficiles sur le fonctionnement du monde, a reçu une réponse partielle: profonde, belle, féconde.
Quelques années après les travaux de Kobayashi et Maskawa, Gerard t'Hooft a découvert une faille dans leur explication de l'invariance T. Les principes sacrés permettent un autre type d'interaction. La nouvelle interaction possible est assez subtile et la découverte de t'Hooft a surpris la plupart des physiciens théoriciens.
La nouvelle interaction, si elle est présente avec une force significative, violerait l'invariance T à un degré beaucoup plus évident que l'effet découvert par Cronin, Fitch et leurs collègues. En particulier, cela permettrait à la rotation du neutron de générer un champ électrique, en plus du champ magnétique qu'il peut induire. (Le champ magnétique d'un neutron en rotation est analogue à ce que produit notre Terre en rotation, bien qu'à une échelle complètement différente.) Les expérimentateurs ont beaucoup cherché de tels champs électriques, mais leur recherche n'a donné aucun résultat.
C'est comme si la nature ne voulait pas utiliser la faille de t'Hooft. Bien sûr, c'est son droit, mais ce droit soulève à nouveau notre question: pourquoi la nature suit-elle si soigneusement l'invariance T?
Plusieurs explications ont été proposées, mais une seule a résisté à l'épreuve du temps. L'idée centrale appartient à Roberto Pezzie et Helen Quinn. Leur proposition, comme celle de Kobayashi et Maskawa, consiste à étendre le modèle standard d'une manière particulière. Par exemple, au travers d'un champ neutralisant dont le comportement est particulièrement sensible à la nouvelle interaction t'Hooft. Si une nouvelle interaction est présente, le champ neutralisant ajuste sa propre amplitude pour compenser l'influence de cette interaction. (Ce processus d'accord est généralement similaire à la façon dont les électrons chargés négativement dans les solides se rassemblent autour des impuretés chargées positivement et protègent leur influence.) Il s'avère qu'un tel champ neutralisant comble notre échappatoire.
Pezzie et Quinn ont oublié les importantes implications testables de leur idée. Les particules produites par leur champ neutralisant - ses quanta - doivent avoir des propriétés remarquables. Puisqu'ils ont oublié leurs particules, ils ne les ont pas nommés non plus. Cela m'a permis de réaliser mon rêve d'enfance.
Quelques années plus tôt, j'avais vu une boîte aux couleurs vives dans un supermarché appelé Axion. Il m'a semblé que "l'axion" sonne comme une particule et, semble-t-il, l'est. Alors quand j'ai découvert une nouvelle particule qui "nettoie" le problème avec un écoulement "axial", j'ai eu l'impression d'avoir une chance. (J'ai vite appris que Steven Weinberg avait également découvert cette particule, indépendamment. Il l'appelait le Higglet. Heureusement, il a accepté de laisser tomber ce nom.) Ainsi commença l'épopée dont la conclusion ne reste plus qu'à écrire.
Dans les Chroniques du groupe de données sur les particules, vous trouverez plusieurs pages couvrant des dizaines d'expériences décrivant des recherches infructueuses pour l'axion. Mais il y a encore des raisons d'optimisme.
La théorie des axions prédit, en termes généraux, que les axions devraient être des particules très légères à très longue durée de vie qui interagissent faiblement avec la matière ordinaire. Mais pour comparer la théorie et l'expérience, vous devez vous fier aux nombres. Et ici nous sommes confrontés à l'ambiguïté, puisque la théorie existante ne fixe pas la valeur de la masse axiale. Si nous connaissions la masse de l'axion, nous prédirions le reste de ses propriétés. Mais la masse elle-même peut être dans une large gamme de valeurs. (Le même problème était avec le quark charmé, la particule de Higgs, le quark top et plusieurs autres. Avant la découverte de chacune de ces particules, la théorie prévoyait toutes leurs propriétés, à l'exception de la valeur de masse). Il s'est avéré que la force d'interaction de l'axion est proportionnelle à sa masse. Par conséquent, à mesure que la valeur de la masse de l'axion diminue, elle devient de plus en plus insaisissable.
Dans le passé, les physiciens se sont concentrés sur des modèles dans lesquels l'axion est étroitement lié à la particule de Higgs. On a supposé que la masse de l'axion devait être de l'ordre de 10 keV - un cinquante de la masse d'un électron. La plupart des expériences dont nous avons parlé plus tôt ont cherché un axion d'un tel plan. À l'heure actuelle, nous pouvons être sûrs que de tels axions n'existent pas.
Matière noire
Et par conséquent, l'attention a été attirée sur des valeurs beaucoup plus petites des masses axiales, qui n'ont pas été exclues expérimentalement. Les axions de ce type apparaissent tout naturellement dans les modèles qui combinent des interactions dans le modèle standard. Ils apparaissent également dans la théorie des cordes.
Nous avons calculé que les axions auraient dû être produits en abondance pendant les premiers instants du Big Bang. Si des axions existent, alors le fluide axion remplit l'Univers. L'origine du fluide axion ressemble à peu près à l'origine du célèbre fond cosmique micro-ondes, mais il existe trois différences majeures entre les deux. Tout d'abord, le fond micro-ondes est observé, et le fluide axion reste purement hypothétique. Deuxièmement, parce que les axions ont une masse, leur fluide affecte la densité de masse globale de l'univers. Fondamentalement, nous avons calculé que leur masse devrait correspondre à peu près à la masse que les astronomes ont déterminée derrière la matière noire! Troisièmement, parce que les axions interagissent si faiblement, ils devraient être plus difficiles à observer que les photons CMB.
La recherche expérimentale des axions se poursuit sur plusieurs fronts. Deux des expériences les plus prometteuses visent à trouver du fluide axionique. L'un d'eux, ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), utilise des antennes spéciales super-sensibles pour convertir les axions de fond en impulsions électromagnétiques. Un autre, CASPEr (Cosmic Axion Spin Precession Experiment), recherche de minuscules fluctuations dans le mouvement des spins nucléaires qui pourraient être causées par le fluide axion. De plus, ces expériences sophistiquées promettent de couvrir presque toute la gamme des masses d'axions possibles.
Les axions existent-ils? On ne sait pas encore. Leur existence apporterait une conclusion dramatique et satisfaisante à l'histoire de la flèche réversible du temps, et peut-être aussi résoudrait le mystère de la matière noire dans le marché. Le jeu a commencé.
Frank Wilczek, basé sur Quanta Magazine
