Désintégration du faux vide

Si l'espace vide n'est pas à son énergie la plus basse, une bulle de vrai vide pourrait grandir à la vitesse de la lumière : ce que cela signifie, comment cela pourrait commencer et pourquoi ce n'est pas un danger

Une hypothèse : la physique la permet sur le papier, mais personne n'en a jamais vu. Tout suit la théorie telle qu'elle est.

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Étape par étape

L'espace vide n'est pas vide

Les particules tirent leur masse de la force avec laquelle elles ressentent cette valeur. L'électron la ressent faiblement et il est léger ; le quark top la ressent plus que tout autre et pèse presque autant qu'un atome d'or. Changez la valeur et toutes les masses changent avec elle, et avec les masses, la taille des atomes et toute la chimie.

Le boson de Higgs, découvert au CERN en 2012, est une ondulation de ce champ. Le chatoiement violet est dessiné : le champ lui-même est invisible et aurait partout le même aspect.

Une bille dans un creux

Imaginez l'énergie du champ comme un paysage et notre vide comme une bille au repos dans un creux. Si une vallée plus profonde se trouve au-delà de la colline, le nôtre est un faux vide : stable, mais pas le plus bas.

Une bille dans un creux résiste aux petites poussées : poussez-la un peu et elle revient en roulant. Mais si le terrain au-delà de la colline descend encore plus bas, le creux n'est que métastable, comme l'eau surfondue, qui reste liquide sous zéro jusqu'à ce que quelque chose déclenche la glace. Les physiciens appellent un tel état un faux vide, et la vallée la plus basse le vrai vide.

Deux masses mesurées

Degrassi et ses collègues l'ont montré en 2012, l'année de la découverte du boson de Higgs, et les travaux suivants concordent. Les masses sont les moyennes du Particle Data Group des mesures d'ATLAS, de CMS et du Tevatron. Elles sont proches de la ligne, ce que certains physiciens voient comme un indice en soi ; un quark top bien plus lourd aurait fait se désintégrer le vide bien avant aujourd'hui.

Ce n'est pas certain. La masse du quark top est difficile à relier au nombre dont la théorie a besoin, et l'intensité de l'interaction forte ajoute du doute. Andreassen, Frost et Schwartz ont calculé en 2018 qu'exclure à coup sûr un vide stable exigerait de connaître la masse du quark top à 250 MeV près.

Comment cela pourrait commencer

La physique quantique permet de franchir des barrières impossibles à gravir, comme une particule alpha qui s'échappe d'un noyau. Pour le vide, cela signifie qu'une petite région pourrait sauter dans la vallée inférieure sans aucune cause. Une bulle trop petite se résorbe ; une bulle juste au-dessus d'une taille critique gagne plus d'énergie par son intérieur que ne lui coûte sa paroi, et grandit.

Ce chiffre ne vaut que si le Modèle standard dit tout jusqu'à des énergies énormes. Des particules inconnues pourraient rendre le vide stable, ou raccourcir sa vie. Certains théoriciens se sont demandé si de minuscules trous noirs pourraient amorcer des bulles (Burda, Gregory et Moss, 2015), une idée sans preuve dans un sens ou dans l'autre.

Sans prévenir

Dès qu'une bulle est assez grande pour grandir, l'énergie libérée par la descente du vide pousse sa paroi toujours plus vite, et en un temps infime elle se déplace pratiquement à la vitesse de la lumière. Vue de l'extérieur, la bulle grandit d'une année-lumière par an : elle traverse les 100 000 années-lumière de la Voie lactée en environ 100 000 ans.

La lumière de la naissance de la bulle voyage à peine en avant de sa paroi, si bien qu'il n'y a rien à voir avant qu'elle soit là. L'image montre la bulle de l'extérieur comme aucun œil ne le pourrait : en réalité, les étoiles devant elle continueraient de briller, intactes, jusqu'à l'instant où la paroi arriverait. Elle traverserait une personne en quelques milliardièmes de seconde, bien plus vite qu'aucun nerf ne peut transmettre un signal, donc personne ne la sentirait.

Dans la bulle

À l'intérieur, le champ de Higgs aurait une valeur immensément plus grande, et les masses des particules comme les forces entre elles changeraient avec elle. Les atomes, et donc la chimie et la vie, ne pourraient pas y exister.

Chaque particule qui tire sa masse du champ de Higgs pèserait énormément plus dans la bulle, et l'équilibre des forces qui maintient les atomes serait perdu. On ne sait pas à quoi ressembleraient les lois là-bas dans le détail : on ne peut pas se fier au Modèle standard pour de telles valeurs du champ. Ce qui est clair, c'est que la matière dont nous sommes faits ne survivrait pas à la paroi.

La gravité aggrave les choses. Le vrai vide est plus bas que le nôtre, dont l'énergie est presque exactement nulle, donc son énergie serait négative, et Coleman et De Luccia ont montré en 1980 que l'espace à l'intérieur d'une telle bulle s'effondrerait alors sur lui-même. Le violet sombre à l'intérieur est dessiné : personne ne sait à quoi cela ressemblerait, si tant est que cela ressemble à quelque chose.

Un collisionneur peut-il en créer une ?

Non. Les rayons cosmiques frappent la Lune, les planètes et les étoiles avec bien plus d'énergie qu'aucun collisionneur ne peut atteindre, et ce depuis des milliards d'années. Le vide est toujours là.

Piet Hut et Martin Rees ont avancé cet argument en 1983 : si des collisions à de telles énergies pouvaient déclencher une bulle, l'une se serait formée il y a longtemps quelque part dans notre passé, et nous ne serions pas là. L'examen de sécurité du LHC de 2008 est arrivé à la même réponse. Les collisionneurs recréent en laboratoire ce que la nature fait bien plus violemment chaque jour.

Est-ce réel ?

Personne ne le sait. Notre vide est peut-être le plus bas après tout : la réponse dépend de la masse exacte du quark top et de la physique au-delà du Modèle standard, dont nous savons qu'elle doit exister.

Le Modèle standard laisse de côté la matière noire, la gravité aux plus hautes énergies et bien d'autres choses. De nouvelles particules à haute énergie pourraient changer la forme de l'énergie du champ de Higgs et rendre notre vide stable, ou moins stable. Des mesures plus précises du quark top, au LHC et dans les futurs collisionneurs, affineront la réponse.