Comment les neutrinos lourds dessinent une double empreinte gravitationnelle express
Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers était une soupe brûlante de particules. Parmi elles flottaient des neutrinos superlourds – des milliers de fois plus massifs que leurs cousins légers qui nous traversent aujourd'hui. Leurs masses étaient presque identiques, comme trois jumeaux, et non des passants quelconques.
Ce tableau est le fruit d'une symétrie mathématique – l'inhabituel groupe modulaire A₄. Il relie rigidement les masses des particules, ne laissant aucune liberté d'ajustement. En conséquence, les neutrinos superlourds ont des masses presque dégénérées (la différence est de l'ordre de fractions de pour cent). C'est comme trois poids coulés dans le même moule. Leur désintégration dans l'Univers primordial a produit un infime excès de matière sur l'antimatière – celui-là même grâce auquel nous existons.
Mais ce tableau harmonieux a une ombre cosmologique. Lorsque l'Univers s'est refroidi, une transition de phase s'est produite – comme la congélation de l'eau en glace. Le champ responsable de la symétrie s'est « figé » différemment selon les régions de l'espace, et des parois de domaine ont grandi entre elles. Une telle palissade d'énergie aurait dû dominer l'Univers, mais nous ne la voyons pas.
Les auteurs de l'étude ont trouvé une issue élégante : les mêmes neutrinos superlourds créent une minuscule asymétrie de pression sur les parois. Les parois se mettent en mouvement, se rencontrent et disparaissent, engendrant des ondulations de l'espace-temps – des ondes gravitationnelles. Leur spectre est inhabituel : deux pics séparés par de nombreuses octaves. L'un provient de la collision des parois, l'autre de la transition de phase elle-même. Ensemble, ils évoquent un double coup de cloche, à partir duquel on peut reconstituer la masse du battant invisible.
Les futurs détecteurs – l'observatoire spatial LISA et le télescope Einstein au sol – pourront entendre les deux pics. C'est une occasion rare de scruter l'époque où les masses des particules se sont formées et de peser indirectement ce qui ne tombera jamais dans un piège d'accélérateur.
Les parois de domaine dont il est question ne sont pas des cloisons physiques, mais des régions de forte variation d'énergie du champ. Si une telle paroi traversait une pièce, elle ne vous frapperait pas au visage, mais elle modifierait les masses des particules élémentaires à l'intérieur de votre corps.
Dans le roman de Greg Egan « La Machine à explorer l'espace » (ou « Zendegi » ?), les physiciens utilisent les ondes gravitationnelles issues de transitions de phase pour étudier des vides alternatifs. Ici, l'idée est similaire : les ondes racontent la symétrie qui s'est brisée dans les premières fractions de seconde de la vie de l'Univers.