Selon une nouvelle théorie proposée par le professeur Arjun Berera de l’université d’Édimbourg et ses collègues, peu après la naissance de l’Univers, celui-ci était rempli de “nœuds” formés de brins d’énergie flexibles appelés tubes de flux qui relient les particules élémentaires entre elles.
Ce graphique illustre la formation de nœuds de tubes de flux dans l’Univers primitif. Crédit image : Keith Wood, Université Vanderbilt.
“Bien que la question de savoir pourquoi notre Univers possède exactement trois (grandes) dimensions spatiales soit l’une des plus profondes énigmes de la cosmologie, elle n’est en fait abordée qu’occasionnellement dans la littérature scientifique”, ont déclaré le professeur Berera et ses co-auteurs.
Afin de trouver une réponse à cette question, ils ont pris un élément commun du modèle standard de la physique des particules et l’ont mélangé avec un peu de théorie de base des nœuds pour produire un nouveau scénario qui non seulement peut expliquer la prédominance des trois dimensions, mais fournit également une source d’énergie naturelle pour la poussée de croissance inflationniste que la plupart des cosmologistes pensent que l’Univers a traversé quelques microsecondes après son éclatement.
L’élément commun que nous avons emprunté est le “tube de flux” composé de quarks, les particules élémentaires qui constituent les protons et les neutrons, maintenus ensemble par un autre type de particule élémentaire appelé gluon qui “colle” les quarks ensemble”, ont-ils expliqué.
“Les gluons relient les quarks positifs aux antiquarks négatifs correspondants par des brins d’énergie flexibles appelés tubes de flux”.
“Au fur et à mesure que les particules liées sont écartées, le tube de flux s’allonge jusqu’à atteindre un point où il se brise. Lorsqu’il se rompt, il libère suffisamment d’énergie pour former une deuxième paire quark-antiquark qui se sépare et se lie aux particules d’origine, produisant ainsi deux paires de particules liées. “
“Nous avons pris le phénomène bien connu du tube de flux et l’avons porté à un niveau d’énergie supérieur”, a déclaré Thomas Kephart, professeur à l’université Vanderbilt.
Selon les théories actuelles, lorsque l’Univers a été créé, il était initialement rempli d’une soupe primordiale surchauffée appelée plasma quark-gluon. Ce plasma était constitué d’un mélange de quarks et de gluons.
Les physiciens ont réalisé qu’une version plus énergétique du plasma quark-gluon aurait constitué un environnement idéal pour la formation de tubes de flux dans l’Univers très primitif. Le grand nombre de paires de quarks et d’antiquarks créés et annihilés spontanément aurait créé des myriades de tubes de flux.
Normalement, le tube de flux qui relie un quark et un antiquark disparaît lorsque les deux particules entrent en contact et s’annihilent, mais il y a des exceptions.
Si le tube prend la forme d’un nœud, par exemple, il devient stable et peut survivre aux particules qui l’ont créé. Si l’une des particules trace le chemin d’un nœud plat, par exemple, alors son tube de flux formera un nœud en trèfle.
Par conséquent, le tube noué continuera d’exister, même après que les particules qu’il relie se seront annihilées les unes les autres.
Des tubes de flux stables sont également créés lorsque deux ou plusieurs tubes de flux sont reliés entre eux. L’exemple le plus simple est le lien de Hopf, qui consiste en deux cercles reliés entre eux.
De cette façon, l’Univers entier pourrait s’être rempli d’un réseau serré de tubes de flux.
Puis, lorsque les chercheurs ont calculé la quantité d’énergie qu’un tel réseau pouvait contenir, ils ont été surpris de découvrir qu’elle était suffisante pour alimenter une période précoce d’inflation cosmique.
Depuis l’introduction de l’idée d’inflation cosmique au début des années 1980, les cosmologistes ont généralement accepté la proposition selon laquelle l’Univers primitif a traversé une période d’expansion, passant de la taille d’un proton à celle d’un pamplemousse en moins d’un trillionième de seconde.
Cette période d’hyper-expansion résout deux problèmes importants en cosmologie. Elle peut expliquer les observations selon lesquelles l’espace est à la fois plus plat et plus lisse que ce que les astrophysiciens pensent qu’il devrait être. Malgré ces avantages, l’acceptation de la théorie a été entravée par le fait qu’une source d’énergie appropriée n’a pas été identifiée.
“Non seulement notre réseau de tubes de flux fournit l’énergie nécessaire à l’inflation, mais il explique aussi pourquoi elle s’est arrêtée si brusquement”, a déclaré le professeur Kephart.
“Lorsque l’Univers a commencé à s’étendre, le réseau de tubes de flux a commencé à se désintégrer et a fini par se briser, éliminant la source d’énergie qui alimentait l’expansion.”
Lorsque le réseau s’est brisé, il a rempli l’Univers d’un gaz de particules subatomiques et de radiations, permettant à l’évolution de l’Univers decontinuer selon les lignes qui ont été déterminées précédemment.
La caractéristique la plus distinctive de la nouvelle théorie est qu’elle fournit une explication naturelle pour un monde tridimensionnel.
La prochaine étape pour les auteurs est de développer leur théorie jusqu’à ce qu’elle fasse des prédictions sur la nature de l’Univers qui peuvent être testées.
Les détails de la recherche seront publiés dans le European Physical Journal Cmais ont été publiés à l’avance sur arXiv.org.
