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Pourquoi certains physiciens pensent vraiment qu'il y a un «univers miroir» qui se cache dans l'espace-temps

Une série d'articles viraux a affirmé que la NASA avait découvert des particules d'un autre univers parallèle dans lequel le temps passe en arrière. Ces affirmations étaient incorrectes. L'histoire vraie est beaucoup plus excitante et étrange, impliquant un voyage dans le Big Bang et de l'autre côté.

Les titres sensationnels avaient brouillé les conclusions d'un article obscur de 2018, jamais publié dans une revue à comité de lecture, qui affirmait que notre univers pourrait avoir une réflexion miroir à travers le temps, un univers partenaire qui s'étend au-delà du Big Bang. Si tel est le cas, et une série d'autres hypothèses extrêmement improbables et bizarres s'avèrent être vraies, selon le journal, cela pourrait expliquer à son tour un mystérieux signal suggérant qu'une particule complètement nouvelle s'envole de la glace en Antarctique.

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L'affirmation selon laquelle la NASA a découvert un univers parallèle semblait avoir été imaginée pour la première fois par le tabloïd britannique The Daily Star, et l'histoire a ensuite été reprise par des médias britanniques et américains, notamment le New York Post.

Les captures d'écran montrent de fausses allégations d '"univers parallèle" dans plusieurs publications. (Crédit d'image: Illustration par Live Science)

Le "miroir" de notre univers

Afin de comprendre comment le Daily Star est arrivé à sa revendication virale bizarre, il est nécessaire de comprendre les revendications de deux journaux distincts de 2018.

Le premier article, de Latham Boyle, physicien au Perimeter Institute en Alberta, au Canada, et ses collègues, proposait un univers miroir – un reflet de notre univers à travers le temps. Il a été publié en décembre 2018 dans la revue Physical Review Letters (après une apparition sur le serveur arXiv en mars de la même année).

"Je pense que personne d'autre ne comprend la totalité de ce qu'ils ont composé", a déclaré John Learned, astrophysicien à l'Université d'Hawaï et co-auteur d'un deuxième article, qui s'appuie sur la théorie de Boyle.

Le travail de Boyle est une sorte de pack d'extension destiné à boucher les trous dans la théorie qui raconte l'histoire d'origine dominante de l'univers: Lambda-Cold Dark Matter (ΛCDM).

ΛCDM explique le cosmos en utilisant deux idées clés: Une énergie sombre inconnue provoque l'expansion de l'univers. Rembobinez cette expansion suffisamment loin dans le temps et l'univers entier occupe un seul point dans l'espace. Deuxièmement, une matière noire invisible tire gravitationnellement sur des choses dans l'univers, mais n'émet pas de lumière. Cette matière noire, l'idée va, représente la grande majorité de la masse de l'univers.

"DMCDM est fondamentalement le seul jeu en ville", a déclaré Learned. "Cela fonctionne dans de nombreux cas, mais il y a des lacunes quelque peu inquiétantes dans la modélisation."

Par exemple, les mesures d'expansion ne s'alignent pas dans le temps, de sorte que les mesures effectuées sur cette expansion à partir des données de l'univers ancien ne correspondent pas aux mesures utilisant des données de l'univers moderne. De plus, ΛCDM ne peut pas expliquer pourquoi la matière existe du tout, car il prédit que la matière et l'antimatière se seraient formées à des taux égaux après le Big Bang et s'anéantiraient, ne laissant rien derrière.

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Le nouvel univers de Boyle et de ses collègues déroule l'histoire du ΛCDM plus loin dans le temps, plongeant dans la singularité au début des temps et sortant de l'autre côté.

Voici comment l'équipe de Boyle voit sa théorie: imaginez l'univers d'aujourd'hui comme un cercle large et plat, assis au-dessus du cercle légèrement plus petit d'hier, qui se trouve au-dessus du cercle encore plus petit de la veille, a déclaré Boyle.

Une illustration montre comment l'univers se développe au fil du temps.

(Crédit image: Meghan McCarter)

Empilez tous les cercles d'aujourd'hui jusqu'au Big Bang, et vous vous retrouveriez avec un cône debout à son extrémité.

Une illustration montre toutes les différentes tranches de temps de l'histoire de l'univers, empilées pour former un cône.

(Crédit image: Meghan McCarter)

Lorsque les astronomes regardent profondément dans l'espace, ils regardent en arrière dans le temps. La galaxie la plus éloignée que nous pouvons voir, GN-z11, nous apparaît telle qu'elle existait il y a 13,4 milliards d'années, soit 400 millions d'années après le Big Bang.

Avant cela, l'univers avait un «âge sombre» qui durait des millions d'années, où rien de suffisamment brillant pour que nous puissions nous former. Avant cela, l'univers a produit la chose la plus ancienne que nous puissions voir: le fond de micro-ondes cosmique (CMB), qui s'est formé 370 000 ans après le Big Bang, alors que l'univers se refroidissait à partir d'un plasma chaud et opaque.

Les télescopes ne peuvent rien voir d'avant le CMB.

Rentrer dans le passé comme ça, a dit Boyle, c'est comme regarder à travers le cône cosmologique.

Regarder profondément dans l'espace, c'est comme regarder à travers le cône cosmologique.

(Crédit image: Meghan McCarter)

Vue de cette façon, l'histoire du ΛCDM se termine avec l'univers se réunissant en un seul point caché derrière le CMB. La théorie de Boyle examine le mur opaque que le CMB forme au fil du temps et tire une conclusion différente sur ce que le CMB cache.

L'opinion standard, a-t-il dit, est que l'ère chaude et dense sous le CMB (de notre point de vue sur le cône) était plus ou moins un "gros gâchis". Dans la cosmologie ΛCDM, il s'agit de la période d'expansion accélérée connue comme «l'époque de l'inflation». À l'époque, tout était chaos, selon la théorie.

Mais le CMB n'est pas si chaotique. Sa structure simple, selon ΛCDM, a émergé après un intense processus d'aplatissement qui a effacé l'ancien désordre.

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"Nous voulions explorer une image plus simple où vous prenez les preuves à leur valeur nominale", a-t-il déclaré. "Vous dites" D'accord, nous ne pouvons pas voir tout le long du Bang, mais nous pouvons regarder de près, et aussi près que nous regardons, les choses semblent super simples. Et si nous prenons ces observations à leur valeur nominale? "Https: //www.space.com/ "

Cette vision de l'espace-temps a toujours un Big Bang caché derrière le CMB, a-t-il déclaré.

Mais "c'est beaucoup plus simple que la plupart des singularités qui surviennent dans la théorie de la gravité d'Einstein", a-t-il déclaré. "C'est un type très spécial de singularité ultra-simple, où vous pouvez suivre la solution (jusqu'aux équations régissant l'espace-temps) à travers la singularité."

Alors que les observations ne remontent pas plus loin que le CMB, les modèles cosmologiques normaux remontent un peu plus loin mais ont toujours tendance à s'arrêter brutalement au Big Bang. Pas dans le schéma de Boyle.

"Vous constatez qu'il extrapole, il s'étend – il continue analytiquement, diraient les physiciens, à ce double cône", a-t-il dit, se référant au deuxième univers s'étendant loin du Big Bang dans le temps.

Supposons une image miroir de notre univers dans le temps, et le cosmos ressemble à un sablier centré sur le big bang.

(Crédit image: Meghan McCarter)

"Il semble que ce soit l'extension naturelle et la plus simple des équations qui semblent décrire l'univers tel que nous le voyons", a-t-il déclaré.

Cet univers qui est à l'intérieur du "deuxième cône" est trop loin dans l'espace-temps pour que nous puissions le voir. Le temps peut sembler reculer à partir de notre cadre de référence, a déclaré Learned. Mais les êtres de cet univers verraient toujours la cause venir avant l'effet, tout comme nous le faisons dans le nôtre. Le temps s'échappe du Big Bang dans cet univers, tout comme il le fait dans le nôtre. "Loin du Big Bang" dans cet univers est la direction opposée à la direction du temps dans notre univers. mais il ne fonctionne pas "en arrière" de la manière que nous pourrions imaginer.

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Notre univers existe de l'autre côté de l'histoire ancienne de cet univers, et cet univers existe de l'autre côté de la nôtre.

"L'état zéro particule"

Nous n'avons aucune preuve que cet univers réfléchi existe, a déclaré Boyle.

Cependant, il a dit: "une fois que vous l'avez, il s'avère que cet univers a une symétrie supplémentaire, que vous n'avez pas vue lorsque vous regardiez simplement la moitié supérieure du cône."

Les symétries "sonnent fort" pour les physiciens, a déclaré Boyle. Ils suggèrent une vérité plus profonde.

Et cet univers à double cône pourrait, à son tour, aider à restaurer une fissure dans une symétrie qui dérange les physiciens depuis des années.

La symétrie en question, connue sous le nom de symétrie Charge, Parité, Temps (CPT), indique que si vous retournez une particule vers son jumeau antimatière – un électron en positron, par exemple – ou si vous le faites à droite au lieu de à gauche, ou déplacez il recule dans le temps au lieu d'avancer, cette particule doit toujours se comporter de la même manière et obéir aux mêmes lois qu'avant d'être retournée. (Droitier ou gaucher fait référence à la rotation et à la direction du mouvement d'une particule.)

"Tout le monde pensait que c'étaient des symétries fondamentales auxquelles on ne pouvait pas échapper", a déclaré Learned.

Finalement, en 1956, le physicien de l'Université de Columbia Chien-Shiun Wu a mené une expérience qui a établi que la symétrie CPT n'était pas absolue. (Les deux collègues masculins qui ont proposé l'idée sous-jacente à Wu ont remporté le prix Nobel de 1957 pour sa découverte, mais elle a été laissée de côté.)

L'expérience de Wu a montré que le "C" dans la symétrie CPT est imparfait. Et d'autres expériences ont montré que certaines particules cassent à la fois "C" et "P." Mais bien que fissuré, la plupart des physiciens pensent que la symétrie CPT tient toujours en général, et aucune particule n'a été trouvée qui brise les trois éléments de cette symétrie. Au niveau des particules, l'univers apparaît CPT symétrique.

Mais le modèle ΛCDM de l'univers lui-même manque de symétrie CPT claire – une conséquence de la courbure de l'espace-temps et de l'étrange vide quantique. Une caractéristique de l'univers que Boyle a appelé son «état de particules nulles», la nature de l'espace-temps lorsqu'il est vidé de particules, est incertaine. Cela signifie qu'à l'échelle de tout l'espace, la symétrie CPT est violée.

Boyle dit que son modèle préserve la symétrie CPT de l'univers d'une manière que la cosmologie ΛCDM ne fait pas. Ajoutez un deuxième cône à l'espace-temps, et l'état de particule zéro n'est plus incertain. L'asymétrie CPT de l'univers est réparée.

"Nous avons pensé:" Attendez une minute. Il semblait que l'univers violait la symétrie du CPT, mais en réalité, nous ne regardions pas l'image dans son ensemble ", a-t-il déclaré. Si l'univers est vraiment symétrique CPT, s'il comprend vraiment deux cônes spatio-temporels plutôt qu'un, qu'est-ce que cela signifierait pour le reste de la physique?

La vérité derrière ce que ces "scientifiques de la NASA" ont vraiment détecté

La conséquence la plus pratique de l'univers symétrique CPT est une explication simple de la matière noire.

Un ensemble de théories populaires sur les choses invisibles repose sur l'existence d'un quatrième type de neutrino non détecté – souvent appelé neutrino stérile. La symétrie CPT de Boyle semble aller dans ce sens. Les trois saveurs connues du neutrino, l'électron, le neutron du muon et du tau, sont toutes gauchers. Cela signifie qu'ils volent sans partenaire droitier correspondant. Le modèle standard suppose que, contrairement à d'autres particules, les neutrinos n'ont pas de tels partenaires. Mais l'univers symétrique CPT n'est pas d'accord, indiquant qu'ils devraient avoir ces partenaires.

Boyle et ses collègues ont découvert que leur cosmologie implique l'existence d'un partenaire droitier dans notre univers pour chaque neutrino gaucher du modèle standard. Mais, contrairement aux quarks gauchers et droitiers, ces particules miroirs gauchers et droitiers ne collent pas ensemble, mais deux des neutrinos partenaires droitiers auraient depuis longtemps été perdus dans l'espace-temps, se désintégrant notre point de vue dans l'univers très précoce. Un troisième partenaire droitier serait resté, cependant, ⁠— une conséquence des équations régissant le début des temps.

Il n'est pas clair avec lequel des trois neutrinos connus il aurait établi un partenariat, a déclaré Boyle. Mais il aurait eu une signature énergétique particulière: 480 picoélectronvolts (PeV), une mesure de la masse d'une particule. Et ce neutrino 480PeV pourrait expliquer toute cette matière noire manquante dans l'univers.

Les détails de la façon dont l'univers symétrique CPT conduit à un neutrino 480 PeV sont difficiles – si difficiles, a déclaré Learned, que peu de physiciens au-delà de Boyle et de son équipe les comprennent.

"Mais ces gars-là ne sont pas des fous", a-t-il dit. "Ce sont des membres respectés du domaine et ils savent ce qu'ils font. Que toute cette théorie compliquée du champ soit correcte ou non, je ne peux pas le dire."

Pourtant, la prédiction d'une particule de 480 PeV a sauté sur Learned.

Il y a quatre ans, un détecteur de particules suspendu à un ballon au-dessus de l'Antarctique a détecté quelque chose que la physique ne pouvait pas expliquer: deux fois, comme Live Science l'a précédemment signalé, l'instrument ANITA (Antarctic Impulsive Transient Antenna) a capté des signaux de particules de haute énergie qui semblaient tirer directement hors de la glace antarctique. (La plupart des chercheurs impliqués dans ANITA ne sont pas des «scientifiques de la NASA», mais le projet reçoit un financement de la NASA.)

Les chercheurs se préparent à lancer l'expérience de l'antenne transitoire impulsionnelle antarctique (ANITA), qui a capté des signaux de particules d'apparence impossible alors qu'elle pendait de son ballon au-dessus de l'Antarctique.

Les chercheurs se préparent à lancer l'expérience de l'antenne transitoire impulsionnelle antarctique (ANITA), qui a capté des signaux de particules d'apparence impossible alors qu'elle pendait de son ballon au-dessus de l'Antarctique. (Crédit d'image: NASA)

De telles particules ne devraient pas exister. Aucune des particules connues du modèle standard n'aurait dû pouvoir voler à travers la Terre et éclater de l'autre côté à des énergies aussi élevées, mais c'est ce que l'ANITA semblait détecter.

En juin 2020, l'explication la plus populaire est que l'ANITA a détecté des neutrinos stériles. Learned, qui était impliqué dans les premiers jours du projet ANITA, a réalisé que le chiffre de 480 PeV correspondait bien aux résultats de l'ANITA.

Si des particules sont vraiment venues de l'espace, puis ont plongé à travers la Terre pour produire l'anomalie, elles ont dû se désintégrer juste sous la surface de l'Antarctique, produisant une pluie de particules plus légères que l'ANITA a détectées surgissant de la glace. Le neutrino de la matière noire 480 PeV de Boyle s'intègre parfaitement dans la gamme de masse qui pourrait expliquer la particule mystère en décomposition d'ANITA.

Learned et une équipe de quatre autres chercheurs ont concocté un schéma où ce neutrino de la matière noire à 480 PeV pourrait avoir réussi cette astuce, qu'ils ont écrite dans un article de 2018 intitulé "Événements ANITA à venir comme preuve de l'univers symétrique CPT" et publié sur la base de données arXiv. Ceci est le journal The Daily Star transformé en un titre confus.

Si la particule ANITA correspondait vraiment au schéma de Boyle, ce serait un poids important sur l'échelle en faveur du cosmos à deux cônes, a déclaré Learned. Mais c'est loin. Le problème le plus important qu'ils ont dû résoudre: rapprocher suffisamment la particule de l'Antarctique. Les modèles montrent que les particules candidates de matière noire comme ce neutrino 480 PeV tomberaient au centre de la Terre peu après avoir pénétré sur notre planète, n'en laissant aucune assez proche pour produire l'anomalie ANITA.

Ces chercheurs ont fait valoir que peut-être une récente rencontre avec un énorme disque invisible de matière noire a remué les neutrinos 480 PeV de la Terre, laissant certains errants près de la surface de notre planète.

C'était une idée excitante de jouer avec, a déclaré Learned, mais même lui n'est pas convaincu par son propre papier.

"Ce fut notre faible excuse, ne pensant à aucune autre bonne façon de faire le travail (de mettre les neutrinos de Boyle assez près de l'Antarctique pour déclencher les capteurs d'ANITA)", a déclaré Learned. Bien que Learned et ses collègues aient travaillé dur sur le papier, pense-t-il ses conclusions sont sûrement fausses, a-t-il dit.

«Parmi les gens de la cosmologie, il y a… une idée que vous pouvez utiliser une« fée des dents »une fois dans votre modèle de cosmologie, mais deux fois n'est tout simplement pas crédible», a-t-il déclaré. "Et je pense que nous avons eu besoin de la fée des dents deux ou trois fois pour que celle-ci fonctionne, alors, eh bien."

Boyle a accepté. Alors que l'idée d'utiliser les idées de son équipe pour expliquer ANITA était attrayante, il a dit que les chiffres ne s'additionnent pas tout à fait. Mais il est toujours convaincu que l'idée sous-jacente d'un univers symétrique CPT est saine.

"Mon intuition personnelle est que, que ce soit exactement correct ou non, c'est sur la bonne voie", a-t-il déclaré. "Je suis très excité à ce sujet."

Publié à l'origine sur Science en direct.

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