Origine de l'univers
Le puissant prisme des symétries
Elles aident à mieux comprendre les secrets de l’Univers




 

Les artistes et les mathématiciens le savent bien : l’Univers qui nous entoure présente certaines harmonies cachées qu’il faut apprendre à reconnaître et décrypter. Car ces symétries fondamentales recèlent, en filigrane, la clef de bien des mystères. L’histoire du Big Bang se résumerait ainsi à une succession de "changements d’états". Le cosmos y perd peu à peu de sa superbe originelle. Son bel équilibre se brise spontanément à mesure qu’il s’étend et se refroidit. Les particules élémentaires et les forces seraient nées de ces imperfections.

De Thalès à Picasso
Elles constituent un solide pilier de l’Univers. Les symétries – sorte d’harmonies cachées - se rencontrent à la fois dans le corps humain, les figures géométriques et les cristaux ou les minéraux des roches… Elles jouent un rôle dans les arts, la peinture, la sculpture, la musique… Thalès, Platon, Euclide, Vitruve, Léonard de Vinci et Pablo Picasso s’en sont joués. En mathématique, leur principe fonde la sphère. Le concept se définit comme une transformation qui laisse inchangées les objets. Par exemple, un cube reste identique à lui-même lorsqu’on le déplace ou qu’on le regarde dans un miroir. Les corps et l’espace semblent alors se répondre comme par un accord sous-jacent et puissant. En termes techniques, on dit qu’il existe une « quantité invariante ». En 1915, l’Allemande Emmy Noether (1882 – 1935) a ainsi montré qu’à toute opération de symétrie était associée une entité qui demeurait constante. Ainsi, au déplacement d’un système d’un endroit à un autre dans l’espace correspond la conservation de l’impulsion (ou quantité de mouvement), au décalage dans le temps est associée la conservation de l’énergie, aux mouvements de rotations répond la conservation du moment angulaire (ou élan de giration), et à celui plus technique des changements de phases associés aux champs de forces correspond la conservation de la charge électrique ou de la charge de couleur liée à l’interaction nucléaire forte... Quoi qu’il en soit, retenons que pour toute symétrie il existe une grandeur privilégiée qui reste constante au cours du mouvement. On démontre ainsi certaines des propriétés les plus fondamentales du cosmos, les lois de conservation.
"Au départ, la symétrie est une façon de mieux comprendre l’espace qui nous entoure", explique Jean Iliopoulos directeur de recherche et fondateur du laboratoire de physique théorique de l’École normale supérieure. "Celui-ci constitue une entité simple à trois dimensions dans laquelle nous baignons. Mais les mathématiciens et les neurobiologistes savent bien que notre représentation du monde est infiniment plus complexe". Du coup, l’espace se décrit comme une abstraction : ce qui s’étend autour des choses tangibles, faites de matière et d’énergie. Il s’agit d’un ensemble de points. Tous égaux et équivalents.

La perception de l’espace
"Après cette étape initiale, le point clef a été apporté par Werner Heisenberg en 1932", reprend Jean Iliopoulos membre de l’Académie des sciences. "La notion d’espace ‘interne’ définit les particules qui peuplent l’Univers. L’espace externe, lui, reste attaché à la dynamique et au mouvement. Ce nouveau concept a été fructueux. Il apporte une explication aux étranges similitudes entre le neutron et le proton". Mis à part leurs charges électriques, les deux nucléons constituants des noyaux atomiques se ressemblent. Leurs masses sont proches. Or justement, du point de vue de la force nucléaire faible, proton et neutron apparaissent liés comme les deux faces d’une même pièce.
"Au bout du compte, en se basant sur de tels critères, les physiciens ont bâti leur modèle standard", relate le chercheur. Il s’appuie sur 12 particules élémentaires et 4 forces fondamentales. "Lesquelles s’appliquent dans un espace-temps à 4 dimensions classiques et 10 dimensions internes. On aboutit à une configuration particulière. Les symétries sont plus ou moins parfaites. Certaines se brisent même spontanément". Au rang des harmonies exactes, bien vérifiées, citons : l’invariance par déplacement en bloc dans le temps ou dans l’espace, ainsi que par une rotation quelconque. La symétrie interne liée aux charges de couleurs (rouge, vert, bleu) de l’interaction forte ne s’est jamais démentie. Par contre, depuis 1957, on sait que la force faible présente une anomalie qui viole l’équivalence entre les deux orientations opposées - droite ou gauche - de l’espace. "Dieu est légèrement gaucher", en dépit de ce que croyait Wolfgang Pauli, prix Nobel 1945. La nature ne respecte pas tout à fait la symétrie vue entre nos deux mains.


Coquetterie : les symétries violées
La preuve a été fournie par la désintégration d’un noyau lourd, le cobalt-60. Selon le sens dans lequel celui-ci tourne (rotation propre, "spin"), l’électron produit est émis de préférence dans une direction ou une autre - en contradiction avec l’idée que toutes orientations de l’espace se valent. Les théoriciens chinois Tsung-Dao Lee et Chen Ning Yang avaient prédit cet effet. Ceci leur a valu le Nobel 1957. La même année, l’expérimentatrice Chien Shiung Wu a vérifié que l’espace rompt bien avec les beaux principes. L’Univers n’est pas 100 % identique à son image dans un miroir. Il viole la symétrie de parité. Par la suite, d’autres exemples ont confirmé. La désintégration du muon, notamment, produit mille fois plus d’électrons qui tournent "vers la gauche" que "vers la droite".
La désintégration du méson neutre K0 libère plus souvent un positron qu’un électron. Coup de théâtre ! La force faible révèle ici une petite dissymétrie vis-à-vis de l’antimatière. Le phénomène se manifeste clairement dans le fait que les neutrinos, cousins légers et électriquement neutres de l’électron, apparaissent avec un seul sens de rotation : gauche. Sans que l’on sache pourquoi, la nature exclut l’inverse. Les neutrinos ne sont jamais droitiers. Ils n’ont pas d’image dans un miroir ! Début d’explication à la primauté de la matière sur l’antimatière dans l’Univers ?.. Mystère. Mais pour certains, l’anomalie à l’échelle microscopique pourrait être une cause des particularités du règne vivant. Les molécules biologiques, hélice de l’ADN (acide désoxyribonucléique), sont dissymétriques.


L’histoire du cosmos, transitions et brisures spontanées

Parmi les quatre interactions fondamentales de la nature : la gravité, la force forte et l’électromagnétisme satisfont certaines exigences de symétries. Mais la force faible effectue un curieux distinguo droite-gauche et elle discrimine la matière de l’antimatière. Il existe une autre bizarrerie : celle de la masse. Dans l’espace interne des particules, le neutrino correspond avec le quark « haut » et l’électron avec le quark « bas ». Oui, mais. Tout ce beau monde apparaît plus ou moins ‘lourd’ et subit les effets de l’inertie. Comment expliquer les disparités constatées ? Elles seraient dues au boson de Higgs, du nom du physicien écossais Peter Higgs qui l’a invoqué en 1964. Cette nouvelle particule, jamais observée, confèrerait sa masse à la matière et elle joue un rôle complémentaire aux côtés des messagers intermédiaires W+, W- et Z0 dans l’unification des forces électromagnétiques et faibles.
Pour finir, la naissance de l’Univers se résume à la libération des forces. Des transitions importantes ont eu lieu. Au temps zéro, toutes les interactions sont mêlées dans la supergravité. Puis à 10-43 seconde, première brisure spontanée de symétrie. La gravité devient autonome à côté de la force électronucléaire (union des interactions électromagnétiques et nucléaires fortes et faibles). C’est l’ère de grande unification. À 10-35 seconde, le second changement d’état est violent. Il affranchit la force forte. L’énergie en jeu matérialise les particules. Vers 10-11 seconde, la force électromagnétique se sépare de sa jumelle faible. Parallèlement naît le boson de Higgs. Il donne son inertie à la matière. Vers un millionième de seconde, l’espace-temps change encore de visage. Les quarks sont confinés dans des objets neutres pour la force forte : protons et neutrons.

LHC : recréer le mythe originel ?
Les expériences en laboratoire et les collisions dans les accélérateurs s’approchent de ce qu’ont été ces étapes primitives. Certes, la supergravité et la force électronucléaire sont hors d’atteinte. Pour les entrevoir, il faudrait disposer d’un instrument de la taille de notre galaxie, la Voie lactée ! Cependant, le Grand collisionneur de hadrons de Genève aura tout loisir, à partir de 2007, de reproduire les phénomènes qui ont accompagné la brisure de symétrie électrofaible. Avec 14 mille milliards d’électronvolts d’énergie, il devrait produire le boson de Higgs. De même, la projection d’ions lourds lui permettra de sonder ce qu’a été le plasma de quarks-gluons avant l’ère du confinement. Au-delà, sans garantie, les machines chercheront à déceler la signature des supercordes, des particules supersymétriques, des dimensions cachées et compactes de l’espace, ou d’un écart à la loi de gravitation de Newton. "L’idée de symétrie reste un élément essentiel", renchérit Jean Iliopoulos. "Cependant, nous sommes loin d’avoir totalement compris son enseignement. Tant sur le plan des théories que de la pratique, bien des surprises restent à venir…"