Un souffle ténu qui choisit la forme du flocon ✛
Un flocon de neige, en tombant d'un nuage, choisit entre une forme gauche et une forme droite. La différence entre les deux est presque imperceptible, comme un souffle de vent, mais c'est précisément ce souffle qui décide du motif qui se formera. Dans le monde des particules élémentaires, un tel souffle est créé par l'interaction faible, la seule des quatre forces fondamentales qui brise la symétrie miroir. Elle produit une différence d'énergie infime entre les formes chirales des molécules, seulement 10⁻¹² eV. Pour comparaison, l'énergie thermique à température ambiante est de 0,025 eV, soit vingt-cinq milliards de fois plus.
En général, ce déséquilibre passe inaperçu. Mais tout change lors d'une transition de phase, lorsque la matière se réorganise d'un état à un autre. La nouvelle phase naît de germes critiques, de minuscules îlots qui doivent atteindre une certaine taille pour survivre et commencer à croître. Si la nouvelle phase peut exister sous deux formes miroirs, même une différence d'énergie infime influence quels germes se formeront le plus souvent. Et c'est là que se produit le miracle de l'amplification : l'effet est multiplié par le nombre de particules dans le germe critique $N_c$.
Pour obtenir un tel résultat, le germe critique doit contenir au moins 10⁹ particules. C'est là le facteur d'amplification : un souffle ténu, multiplié par un milliard, se transforme en ouragan qui oriente tout le processus. Le modèle, construit sur la théorie de la nucléation de Zeldovitch, montre que l'amplification augmente à l'approche de la température critique : plus le refroidissement est lent, plus le système choisit avec certitude la forme énergétiquement avantageuse.
La même logique a pu jouer dans l'Univers primordial. Lors de la transition de phase électrofaible, quand l'Univers se refroidissait après le Big Bang, la violation de CP a pu créer un léger déséquilibre entre matière et antimatière. Si ce déséquilibre a été amplifié dans les germes de la nouvelle phase, le modèle standard pourrait expliquer pourquoi nous vivons dans un monde où la matière est plus abondante que l'antimatière, sans faire appel à une nouvelle physique. C'est aujourd'hui l'une des grandes énigmes de la cosmologie.
Le flocon qui choisit sa forme selon un souffle à peine perceptible n'est pas qu'une jolie métaphore. C'est un mécanisme universel qui relie le monde des particules élémentaires aux phénomènes macroscopiques. Et s'il se confirme dans d'autres systèmes, de la cristallisation du sel aux transitions cosmologiques, nous disposerons d'un nouvel outil pour rechercher les violations de symétrie les plus subtiles qui ont façonné notre Univers.
Dans l'expérience sur ZnCr₂Se₄, la température de transition n'est que de 21 K, et la différence d'énergie entre les chiralités équivaut à 10⁻⁸ K : une différence de 10⁹ fois plus petite que la température du système.
L'idée d'amplifier de faibles différences lors de transitions de phase rappelle les récits de « choix » de l'Univers : dans le roman de Greg Egan, « L'Échelle de Schild », les transitions du vide déterminent les lois de la physique dans différentes régions de l'espace.