La particule de Higgs aurait pu mettre fin à l’univers à l’heure actuelle : voici pourquoi nous sommes toujours là

Bien que notre univers puisse paraître stable, puisqu’il existe depuis 13,7 milliards d’années, plusieurs expériences suggèrent qu’il est en danger, au bord d’une falaise très dangereuse. Et tout cela est dû à l’instabilité d’une seule particule fondamentale : le boson de Higgs.

Dans une nouvelle recherche menée par moi et mes collègues, qui vient d’être acceptée pour publication dans Lettres physiques Bnous montrons que certains modèles de l’univers primitif, ceux qui impliquent des objets appelés trous noirs primordiaux légers, sont peu susceptibles d’être corrects car ils auraient déclenché le boson de Higgs qui a mis fin au cosmos à l’heure actuelle.

Le boson de Higgs est responsable de la masse et des interactions de toutes les particules que nous connaissons. En effet, la masse des particules est une conséquence de l’interaction des particules élémentaires avec un champ, appelé champ de Higgs. Comme le boson de Higgs existe, nous savons que le champ existe.

On peut considérer ce champ comme un bain d’eau parfaitement immobile dans lequel nous plongeons. Ses propriétés sont identiques dans tout l’univers. Cela signifie que nous observons les mêmes masses et les mêmes interactions dans tout le cosmos. Cette uniformité nous a permis d’observer et de décrire la même physique sur plusieurs millénaires (les astronomes regardent généralement en arrière dans le temps).

Mais il est peu probable que le champ de Higgs se trouve dans l’état d’énergie le plus bas possible. Cela signifie qu’il pourrait théoriquement changer d’état et tomber dans un état d’énergie plus bas à un certain endroit. Si cela se produisait, cela modifierait radicalement les lois de la physique.

Un tel changement représenterait ce que les physiciens appellent une transition de phase. C’est ce qui se produit lorsque l’eau se transforme en vapeur, formant ainsi des bulles. Une transition de phase dans le champ de Higgs créerait de la même manière des bulles d’espace à basse énergie contenant une physique complètement différente.

Dans une telle bulle, la masse des électrons changerait soudainement, tout comme leurs interactions avec d’autres particules. Les protons et les neutrons, qui constituent le noyau atomique et sont constitués de quarks, se disloqueraient soudainement. En fait, quiconque serait confronté à un tel changement ne serait probablement plus en mesure de le signaler.

Risque constant

Les mesures récentes des masses de particules effectuées par le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du Cern suggèrent qu’un tel événement pourrait être possible. Mais pas de panique : cela ne pourrait se produire que dans quelques milliards d’années, après notre retraite. C’est pourquoi, dans les couloirs des départements de physique des particules, on dit généralement que l’Univers n’est pas instable mais plutôt « métastable », car la fin du monde n’est pas pour demain.

Pour que le champ de Higgs forme une bulle, il faut une bonne raison. En raison de la mécanique quantique, la théorie qui régit le microcosme des atomes et des particules, l’énergie du Higgs fluctue constamment. Et il est statistiquement possible (bien que peu probable, ce qui explique pourquoi cela prend autant de temps) que le Higgs forme une bulle de temps en temps.

Cependant, l’histoire est différente en présence de sources d’énergie externes comme des champs gravitationnels forts ou du plasma chaud (une forme de matière composée de particules chargées) : le champ peut emprunter cette énergie pour former plus facilement des bulles.

Par conséquent, même s’il n’y a aucune raison de s’attendre à ce que le champ de Higgs forme de nombreuses bulles aujourd’hui, une grande question dans le contexte de la cosmologie est de savoir si les environnements extrêmes peu après le Big Bang auraient pu déclencher de telles bulles.

Cependant, lorsque l’univers était très chaud, bien que l’énergie ait été disponible pour aider à la formation des bulles de Higgs, les effets thermiques ont également stabilisé le Higgs en modifiant ses propriétés quantiques. Par conséquent, cette chaleur n’a pas pu déclencher la fin de l’univers, ce qui explique probablement pourquoi nous sommes toujours là.

Trous noirs primordiaux

Dans nos nouvelles recherches, nous avons montré qu’il existe une source de chaleur qui serait constamment à l’origine de telles bulles (sans les effets thermiques stabilisateurs observés dans les premiers jours après le Big Bang). Il s’agit des trous noirs primordiaux, un type de trou noir qui a émergé dans l’univers primitif suite à l’effondrement de régions trop denses de l’espace-temps. Contrairement aux trous noirs normaux, qui se forment lorsque des étoiles s’effondrent, les trous noirs primordiaux pourraient être minuscules, aussi légers qu’un gramme.

L’existence de ces trous noirs légers est une prédiction de nombreux modèles théoriques décrivant l’évolution du cosmos peu après le Big Bang. Cela inclut certains modèles d’inflation, suggérant que l’univers a explosé de manière considérable après le Big Bang.

Cependant, prouver cette existence s’accompagne d’une mise en garde importante : Stephen Hawking a démontré dans les années 1970 que, grâce à la mécanique quantique, les trous noirs s’évaporent lentement en émettant un rayonnement à travers leur horizon des événements (un point auquel même la lumière ne peut s’échapper).

Hawking a montré que les trous noirs se comportent comme des sources de chaleur dans l’univers, avec une température inversement proportionnelle à leur masse. Cela signifie que les trous noirs légers sont beaucoup plus chauds et s’évaporent plus rapidement que les trous noirs massifs. En particulier, si des trous noirs primordiaux plus légers que quelques milliers de milliards de grammes se sont formés dans l’univers primitif (10 milliards de fois plus petits que la masse de la lune), comme le suggèrent de nombreux modèles, ils se seraient déjà évaporés.

En présence du champ de Higgs, de tels objets se comporteraient comme des impuretés dans une boisson gazeuse : ils aideraient le liquide à former des bulles de gaz en contribuant à son énergie via l’effet de la gravité (en raison de la masse du trou noir) et de la température ambiante (en raison de son rayonnement Hawking).

Lorsque les trous noirs primordiaux s’évaporent, ils réchauffent l’univers localement. Ils évolueraient au milieu de points chauds qui pourraient être beaucoup plus chauds que l’univers environnant, mais toujours plus froids que leur température typique de Hawking. Ce que nous avons montré, en utilisant une combinaison de calculs analytiques et de simulations numériques, c’est que, du fait de l’existence de ces points chauds, ils provoqueraient en permanence des bulles dans le champ de Higgs.

Mais nous sommes toujours là. Cela signifie qu’il est très peu probable que de tels objets aient jamais existé. En fait, nous devrions exclure tous les scénarios cosmologiques prédisant leur existence.

À moins bien sûr que nous ne découvrions des preuves de leur existence passée dans des radiations anciennes ou des ondes gravitationnelles. Si tel est le cas, cela pourrait être encore plus passionnant. Cela indiquerait qu’il y a quelque chose que nous ignorons à propos du Higgs ; quelque chose qui le protège de la formation de bulles en présence de trous noirs primordiaux en cours d’évaporation. Il pourrait s’agir en fait de particules ou de forces totalement nouvelles.

Quoi qu’il en soit, il est clair que nous avons encore beaucoup à découvrir sur l’univers, à la plus petite comme à la plus grande échelle.

Cet article est republié par The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article original.