L’une des constantes fondamentales de la physique pourrait finalement varier dans l’Univers

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Parmi les 29 paramètres libres du Modèle Standard, se trouvent plusieurs constantes fondamentales, dont la constante de structure fine notée α. Il s’agit d’une constante de couplage qui rend compte de l’intensité de l’interaction électromagnétique entre les électrons et les photons. Sa valeur ne peut être déterminée qu’expérimentalement, étant donné qu’il n’existe actuellement aucun moyen théorique de la calculer. De récentes mesures de cette constante ont cependant montré des variations de sa valeur. Si ces résultats sont réitérés et confirmés, ils pourraient signifier une inconstance du couplage électromagnétique, et donc avoir d’importantes conséquences sur la physique. 

Les physiciens ont trouvé des indices qu’une constante physique fondamentale utilisée pour mesurer la force de l’électromagnétisme entre les particules élémentaires pourrait en fait être plutôt inconstante, selon des mesures prises à partir d’un quasar situé à environ 13 milliards d’années-lumière de la Terre. L’étude a été publiée dans la revue Science Advances.

Micro-variations de α et non-isotropie de l’Univers

L’électromagnétisme est l’une des quatre interactions fondamentales de l’Univers, aux côtés de la gravité, de la force nucléaire faible et de la force nucléaire forte. L’intensité de l’interaction électromagnétique entre les particules élémentaires est calculée à l’aide de ce que l’on appelle la constante de structure fine. Cependant, les nouvelles données indiquent de minuscules variations de cette constante, ce qui pourrait avoir d’énormes implications sur la physique actuelle. Les dernières données montrent également que l’Univers pourrait ne pas être si isotrope que prévu.

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Mesures directes du rapport Δα/α effectuées à partir du spectre d’absorption du quasar J1120+064. Crédits : Michael R. Wilczynska et al. 2020

« La nouvelle étude semble soutenir cette idée selon laquelle il pourrait y avoir une direction dans l’Univers, ce qui est vraiment très étrange. Donc, l’Univers peut ne pas être isotrope dans ses lois de la physique. Il pourrait y avoir une direction ou une direction préférée dans l’Univers où les lois de la physique changent, mais pas de façon perpendiculaire. En d’autres termes, l’Univers dans un certain sens, aurait une structure dipolaire », explique l’astrophysicien John Webb, de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW).

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Variations de α en fonction des différentes lignes d’absorption observées. Tandis que α reste constante pour les transitions Si II, Al II et Mg II, elle varie nettement pour les transitions Fe II. Crédits : Michael R. Wilczynska et al. 2020

À l’aide d’images et de données capturées par le Very Large Telescope (VLT) au Chili, l’équipe de recherche a pu mesurer cette force telle qu’elle serait apparue dans l’Univers quand il était beaucoup plus jeune. Les données nécessitent toutefois des tests et des vérifications supplémentaires.

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De potentielles conséquences importantes pour les modèles standards des particules et de la cosmologie

« En rassemblant toutes les données, l’électromagnétisme semble augmenter progressivement au fur et à mesure que nous regardons loin, tandis que dans la direction opposée, il diminue progressivement. Dans d’autres directions du cosmos, la constante de structure fine reste exactement la même ; une constante. Ces nouvelles mesures très éloignées ont poussé nos observations plus loin que jamais auparavant », explique Webb.

Cette idée de directionnalité dans l’Univers a été soutenue par des chercheurs travaillant de manière indépendante aux États-Unis, qui ont été occupés à étudier la nature des rayons X. Ils ont également trouvé un alignement cosmique qui se produit de la même manière que celui que l’équipe UNSW a découvert.

« Notre modèle standard de la cosmologie est basé sur un univers isotrope, qui est le même, statistiquement, dans toutes les directions. Ce modèle standard lui-même est construit sur la théorie de la gravité d’Einstein, qui elle-même suppose explicitement la constance des lois de la nature. Si de tels principes fondamentaux ne s’avèrent être que de bonnes approximations, les portes s’ouvrent à de nouvelles idées très intéressantes en physique », conclut Webb.

Sources : Science Advances

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