La physique consiste à sonder les mystères les plus fondamentaux de la nature, il n’est donc pas surprenant que les physiciens aient en tête des questions très fondamentales sur l’univers. Récemment, le magazine Symmetry (publié par deux laboratoires de physique financés par le gouvernement américain) a demandé à un groupe de physiciens des particules de nommer les questions ouvertes en physique auxquelles ils souhaitent le plus obtenir des réponses. Voici un échantillon des interrogations qu’ils ont partagées:

« Quel sera le destin de notre univers ? »

Le poète Robert Frost a demandé de façon célèbre si le monde se terminerait dans le feu ou la glace, et les physiciens ne peuvent toujours pas répondre à cette question. L’avenir de l’univers – la question nommée par Steve Wimpenny de l’Université de Californie, Riverside – dépend en grande partie de l’énergie sombre, qui est à ce jour une entité inconnue. L’énergie sombre est responsable de l’accélération de l’expansion de l’univers, mais ses origines sont entièrement mystérieuses. Si l’énergie noire est constante dans le temps, nous assisterons probablement à un « grand gel » dans le futur, au cours duquel l’univers continuera à s’étendre de plus en plus vite, et les galaxies finiront par être tellement éloignées les unes des autres que l’espace ressemblera à un vaste terrain vague. Si l’énergie sombre augmente, cette expansion pourrait être encore plus importante, de sorte que non seulement l’espace entre les galaxies mais aussi l’espace à l’intérieur de celles-ci s’étendent, et que les galaxies elles-mêmes soient déchirées – un sort surnommé le « big rip ». Une autre possibilité est que l’énergie noire diminue au point de ne plus pouvoir contrecarrer la force d’attraction de la gravité vers l’intérieur, ce qui fait que l’univers retombe sur lui-même dans un « big crunch ». En gros, quelle que soit l’hypothèse retenue, nous sommes condamnés. Le bon côté des choses, c’est qu’aucune de ces éventualités ne devrait se réaliser avant des milliards ou des trillions d’années – ce qui laisse largement le temps de décider si nous espérons du feu ou de la glace.

« Le boson de Higgs n’a absolument aucun sens. Pourquoi existe-t-il ? »

Le ton de cette question était ironique, selon son auteur, Richard Ruiz, de l’université de Pittsburgh, mais elle témoigne d’un manque réel de compréhension de la nature de la particule découverte l’an dernier au Grand collisionneur de hadrons (LHC) en Europe. Le boson de Higgs contribue à expliquer comment toutes les autres particules ont obtenu leur masse, mais il soulève de nombreuses autres questions. Par exemple, pourquoi le boson de Higgs interagit-il différemment avec chaque particule – le quark supérieur interagit beaucoup plus fortement avec le boson de Higgs que l’électron, ce qui lui confère une masse beaucoup plus importante que celle de l’électron. C’est le seul exemple d’une force « non universelle » dans le modèle standard », explique Ruiz. En outre, le boson de Higgs est la première particule fondamentale trouvée dans la nature avec un spin nul. « Il s’agit d’un secteur entièrement nouveau de la physique des particules du modèle standard », explique M. Ruiz. « Comment cela se produit-il, nous n’en avons aucune idée. »

« Pourquoi l’univers est-il si exquisément équilibré pour que la vie puisse exister ? »

Selon les probabilités, nous ne devrions vraiment pas être ici. Les galaxies, les étoiles, les planètes et les gens ne sont possibles que dans un univers qui s’est étendu à la bonne vitesse à ses débuts. Cette expansion a été gouvernée par la poussée vers l’extérieur de l’énergie sombre, qui s’oppose à l’attraction gravitationnelle vers l’intérieur de la masse de l’univers, dominée par une matière invisible appelée matière sombre. Si ces quantités étaient différentes – si l’énergie noire avait été un tout petit peu plus forte après la naissance de l’univers, par exemple – l’espace se serait dilaté trop rapidement pour que les galaxies et les étoiles puissent se former. Mais un peu moins d’énergie noire aurait provoqué l’effondrement de l’univers sur lui-même. Alors pourquoi, demande Erik Ramberg du Fermilab de Batavia (Illinois), ces deux éléments sont-ils si parfaitement équilibrés pour permettre l’univers dans lequel nous vivons ? « Nous ne connaissons pas de raison fondamentale pour laquelle cet équilibre devrait exister », répond Ramberg. « Il ne fait aucun doute que la quantité d’énergie sombre dans l’univers est le nombre le plus finement ajusté de l’histoire de la physique. »

« D’où viennent les neutrinos astrophysiques ? »

On prévoit que les neutrinos de très haute énergie résultent des collisions de particules chargées rapides appelées rayons cosmiques avec des particules légères (photons) dans le rayonnement de fond cosmologique qui imprègne l’univers. Mais ce qui met ce processus en marche et la façon dont les rayons cosmiques sont accélérés restent des questions ouvertes. L’une des principales idées est que la matière tombant dans les trous noirs supermassifs affamés au centre des galaxies donne naissance aux rayons cosmiques, mais rien ne prouve encore cette hypothèse. On pense que les neutrinos qui en résultent voyagent si vite que chaque minuscule particule renferme autant d’énergie qu’une balle de baseball lancée rapidement (qui compte des milliards de milliards d’atomes). « Nous ne pouvons même pas imaginer d’où viennent ces choses », déclare Abigail Vieregg, de l’Institut Kavli de physique cosmologique de l’université de Chicago, qui a posé la question. « Si nous le découvrons, nous pourrons en savoir plus sur les sources qui accélèrent ces particules à des énergies extrêmement élevées. »

« Comment se fait-il que l’univers soit fait de matière et non d’antimatière ? »

L’antimatière est comme la matière à contre jour : elle a les mêmes propriétés que la substance qui compose les planètes, les étoiles et les galaxies, mais un élément vital est différent : sa charge. L’univers est censé avoir commencé avec des parts égales de matière et d’antimatière, mais d’une manière ou d’une autre, la matière l’a emporté, la plupart des deux substances s’annihilant mutuellement peu après le big bang, laissant un petit excédent de matière. Personne ne sait pourquoi l’antimatière a perdu ce bras de fer. Pour expliquer cette disparité, les scientifiques sont à la recherche de processus appelés violations de la parité de charge, dans lesquels les particules préfèrent se désintégrer en matière plutôt qu’en antimatière. « Nous sommes particulièrement intéressés à essayer de voir si les oscillations des neutrinos sont différentes entre les neutrinos et les antineutrinos », explique Alysia Marino de l’Université du Colorado, qui a partagé la question avec Symmetry. « C’est quelque chose qui n’a pas été vu jusqu’à présent, mais nous espérons que la prochaine génération d’expériences l’examinera plus en détail. »