Leptogenesis and Planck-scale black hole remnants in a Pati-Salam cosmology

L'univers est rempli de deux grands mystères que la physique moderne n'a pas encore résolus. Le premier est de savoir pourquoi il y a plus de matière que d'antimatière. Dans les premiers instants après le Big Bang, la matière et l'antimatière auraient dû être créées en quantités égales, pour ensuite s'annihiler mutuellement et ne laisser derrière elles qu'une mer de lumière pure. Pourtant, nous existons. Quelque chose a fait pencher la balance, créant un infime surplus de matière qui a fini par former les étoiles, les planètes et nous-mêmes. Le second mystère est la matière noire. Les astronomes savent qu'environ un quart de l'univers est composé d'une substance invisible qui maintient les galaxies ensemble, mais personne n'a jamais vu une particule de celle-ci ni ne sait de quoi elle est faite. Pendant des décennies, les scientifiques ont tenté d'expliquer ces deux énigmes séparément, proposant souvent de nouvelles particules ou forces complexes. Une étude récente suggère toutefois que la réponse aux deux pourrait résider dans le même objet étrange et minuscule : un trou noir primordial.

Il ne s'agit pas des trous noirs massifs que l'on trouve au centre des galaxies, lesquels se forment à partir de l'effondrement d'étoiles. Il s'agit plutôt de trous noirs microscopiques qui auraient pu se former dans la première fraction de seconde après le Big Bang, créés par des fluctuations de la densité de l'univers primitif. S'ils existent, ils seraient incroyablement petits, certains pesant moins d'un gramme, et ils seraient en train de s'évaporer en ce moment même, libérant de l'énergie dans un processus connu sous le nom de rayonnement de Hawking. Une équipe de chercheurs a élaboré un nouveau modèle montrant comment ces minuscules trous noirs auraient pu agir comme des usines cosmiques, produisant les particules lourdes nécessaires pour créer notre univers dominé par la matière, tout en laissant simultanément un résidu stable qui constitue la matière noire que nous observons aujourd'hui.

Les chercheurs ont travaillé dans le cadre d'un modèle théorique spécifique appelé le modèle de Pati–Salam. Il s'agit d'une manière d'organiser les particules fondamentales de la nature qui traite le neutrino droit — un cousin lourd et invisible du neutrino familier — comme une partie nécessaire de la structure de l'univers plutôt que comme un ajout optionnel. Dans ce modèle, l'existence de ces neutrinos lourds est liée à une échelle d'énergie spécifique où les forces de la nature se séparent. L'équipe s'est posé une question simple mais difficile : l'évaporation des trous noirs primordiaux pourrait-elle fournir les neutrinos lourds nécessaires pour générer le déséquilibre matière-antimatière, et les trous noirs eux-mêmes pourraient-ils laisser derrière eux un résidu servant de matière noire ?

Pour répondre à cela, ils ont simulé le cycle de vie de ces trous noirs. Ils ont commencé avec un univers où les forces s'étaient déjà séparées avant le début de l'expansion rapide de l'inflation, garantissant que les monopôles magnétiques dangereux soient dilués. Ils ont ensuite introduit une population de trous noirs primordiaux ayant une gamme de masses spécifique. À mesure que ces trous noirs s'évaporaient, ils recrachaient des particules. Si les trous noirs étaient assez chauds, ils émettraient les neutrinos lourds. Ces neutrinos se désintégreraient ensuite d'une manière qui créerait un léger excès de matière sur l'antimatière. Cet excès serait finalement converti en baryons — les protons et les neutrons — qui constituent toute la matière visible.

L'étude a révélé que ce processus fonctionne, mais seulement sous des conditions très spécifiques. Les chercheurs ont découvert une division nette basée sur la masse des trous noirs. Si les trous noirs étaient très légers, pesant environ cent grammes ou moins, ils seraient assez chauds pour émettre directement les neutrinos lourds. Cela créerait une source de matière « non thermique », générant l'asymétrie baryonique sans nécessiter que l'univers soit extrêmement chaud. Cependant, ce scénario se heurte à un obstacle lorsqu'on considère la matière noire. Si ces trous noirs légers s'évaporent complètement, ils ne laissent rien derrière eux. Mais si la gravité quantique interrompt leur évaporation juste avant qu'ils ne disparaissent, laissant derrière eux un « résidu » minuscule et stable, les calculs s'effondrent. L'étude montre que si les trous noirs sont assez légers pour créer cette asymétrie de la matière de cette manière, les résidus restants seraient si nombreux qu'ils surchargeraient l'univers de matière noire, dépassant de loin ce que nous observons. Dans ce scénario spécifique, les deux objectifs — créer la bonne quantité de matière et la bonne quantité de matière noire — ne peuvent être atteints simultanément.

La solution, ont trouvé les auteurs, réside dans des trous noirs légèrement plus lourds. Si les trous noirs primordiaux pèsent environ un million de grammes, ils sont plus froids et ne peuvent pas émettre les neutrinos lourds efficacement par eux-mêmes. Au lieu de cela, les neutrinos lourds sont produits par le plasma chaud de l'univers primitif. Les trous noirs jouent alors un rôle différent : ils s'évaporent et injectent une quantité massive d'entropie, ou de désordre, dans l'univers. Ce processus dilue l'asymétrie de la matière qui a déjà été créée, mais il ne la détruit pas. Crucialement, lorsque ces trous noirs plus lourds finissent par s'évaporer, ils laissent derrière eux un résidu stable. Parce que les trous noirs sont plus lourds, le nombre de résidus qu'ils laissent derrière eux est beaucoup plus faible. L'étude calcule que pour des trous noirs d'une masse initiale d'environ un million de grammes, le nombre de résidus restants correspond parfaitement à la quantité de matière noire observée dans l'univers.

Cette valeur de masse unique d'environ un million de grammes constitue un point d'équilibre idéal. Elle est suffisamment élevée pour que les résidus ne surpeuplent pas l'univers, mais suffisamment faible pour que les trous noirs s'évaporent assez tôt pour permettre à l'asymétrie de la matière d'être traitée par les mécanismes naturels de l'univers avant que les forces de la nature ne se figent. Les chercheurs ont également noté que ce scénario laisse une empreinte distincte. La distribution aléatoire de ces trous noirs dans l'univers primitif aurait créé des ondulations dans l'espace-temps, générant un bourdonnement de fond d'ondes gravitationnelles. Ces ondes auraient une fréquence que les futurs détecteurs, tels que le Télescope Einstein, pourraient être capables d'entendre. De plus, l'émission directe de gravitons lors des derniers instants des trous noirs contribuerait à la densité de rayonnement de l'univers, une quantité que les futures expériences du fond diffus cosmologique pourraient mesurer avec une haute précision.

L'article conclut que bien que l'idée d'utiliser des trous noirs pour résoudre à la fois les énigmes de la matière et de la matière noire soit séduisante, elle n'est pas une solution universelle. Elle exclut la possibilité que les trous noirs les plus légers puissent accomplir la tâche seuls. Au lieu de cela, elle pointe vers une fenêtre étroite et spécifique de masses de trous noirs où l'univers aurait pu être réglé pour produire exactement ce que nous voyons aujourd'hui. Le modèle repose sur l'hypothèse que la gravité quantique interrompt l'évaporation des trous noirs à l'échelle de Planck, laissant derrière eux des résidus stables. Si cette hypothèse se vérifie, alors l'existence de la matière noire et l'origine de notre univers rempli de matière sont deux faces d'une même pièce, forgées dans l'évaporation d'une population spécifique de trous noirs primordiaux. Les conclusions suggèrent que la prochaine génération d'expériences sur les ondes gravitationnelles et le fond cosmique pourrait soit confirmer cette élégante connexion, soit nous contraindre à chercher une explication différente pour le côté sombre du cosmos.