En 1977, le physicien américain Sidney Coleman, de l’Université Harvard, publiait un article au titre plutôt sinistre : Fate of the false vacuum: Semiclassical theory, dans lequel il exposait une théorie, elle aussi, assez anxiogène. « Le destin du faux vide », en français. L’Univers, tel que la physique moderne le décrit, n’est pas un espace rempli de particules flottant dans le néant : il est structuré par des entités invisibles appelées champs, qui occupent chaque point de l’espace et dont les propriétés déterminent le comportement de tout ce qui existe. Le champ de Higgs, par exemple, est ce qui donne leur masse aux particules élémentaires ; le champ électromagnétique est ce qui transporte la lumière.
Chacun de ces champs possède un état de repos, que les physiciens appellent le « vide », au sens quantique, soit un état où son énergie atteint son niveau le plus bas. Coleman démontrait qu’un champ pouvait être coincé dans un « faux vide » (un état qui imite le repos sans être véritablement le plus bas possible) et en sortir spontanément par effet tunnel quantique, c’est-à-dire franchir une barrière d’énergie sans avoir les moyens de la surmonter.
En 1980, avec Frank De Luccia de l’Institut d’études avancées de Princeton, il ajoutait la gravité à son modèle et la question changea de discipline, passant de la physique des particules à la cosmologie : si le champ de Higgs reposait sur un faux vide, sa transition vers le « vrai vide » modifierait la masse des particules, l’intensité des forces fondamentales et la structure des atomes dans l’Univers entier. Plusieurs études ont depuis suggéré que le champ de Higgs pourrait effectivement se trouver dans cette configuration.
Une étude publiée le 25 septembre dans la revue Journal of Cosmology and Astroparticle Physics vient toutefois d’identifier un phénomène naturel qui empêcherait ce basculement de se produire : l’Univers pourrait, en quelque sorte, s’en protéger tout seul.
Le détail que les anciennes théories avaient laissé de côté
L’étude a été menée par une équipe réunissant Gregory Kaplanek, chercheur postdoctoral à l’Université de Syracuse (New York), Robson Christie, Jaewoo Joo et David Wands de l’Université de Portsmouth, et Vincent Vennin du Laboratoire de physique de l’École normale supérieure de Paris. Leur théorie, qu’ils ont baptisée « verrouillage cosmique » (« cosmic lockdown »), emprunte ses outils à la physique de l’informatique quantique.
Un ordinateur quantique a besoin que son processeur soit isolé de l’extérieur, parce que la moindre interaction avec l’environnement (variation de température, vibrations mécaniques, champs magnétiques ou électromagnétiques) suffit à détruire l’information que le système contient. Ce phénomène s’appelle la décohérence quantique : le système perd ses propriétés quantiques au contact de son environnement. Les chercheurs ont retourné ce problème en partant du principe que le champ de Higgs, dans l’Univers primitif, n’évolue pas en isolement : il interagit en permanence avec tous les autres champs qui l’entourent.
Depuis Coleman en 1977, et sa collaboration avec De Luccia en 1980, toutes les estimations de la probabilité d’un effondrement du faux vide reposent sur la même hypothèse : celle que le champ de Higgs évolue en parfait isolement, sans rien autour qui puisse interagir avec lui, comme un ordinateur quantique, finalement.
Une simplification qui lui laissait, en théorie, toute latitude pour franchir la barrière d’énergie par effet tunnel. Mais dans l’Univers réel, il n’est jamais seul : il est en interaction continuelle avec le champ électromagnétique, les champs associés aux forces nucléaires, et tous les autres champs fondamentaux. C’est en tenant compte de ces interactions que l’équipe a obtenu un résultat radicalement différent de celui de Coleman.
La parade de l’Univers contre sa propre destruction
Les chercheurs ont simulé numériquement le comportement du champ de Higgs pendant la phase d’inflation, la période d’expansion fulgurante qu’a traversée l’Univers dans ses toutes premières fractions de seconde après le Big Bang, en le couplant aux autres champs fondamentaux pour calculer comment leurs interactions affectent sa capacité à basculer.
D’après eux, les interactions continuelles entre le champ de Higgs et les autres champs provoquent la décohérence, exactement comme dans un ordinateur quantique mal isolé. Mais là où, dans un processeur, la décohérence corrompt les données, dans l’Univers, elle détruit les interférences quantiques entre le faux vide et le vrai vide. Ces interférences étant la condition sine qua non de l’effet tunnel, sans elles, le champ de Higgs ne peut plus traverser la barrière d’énergie : il reste coincé dans son faux vide, sans issue.
C’est une manifestation de l’effet Zeno quantique : un système quantique dont l’environnement « observe » l’état en permanence se retrouve dans l’incapacité de le quitter.
Les auteurs sont toutefois conscients des limites de leurs travaux, puisque leur modèle de simulation reste simplifié : il ne démontre pas par A+B que le champ de Higgs, dans l’Univers tel qu’il existe aujourd’hui, est effectivement protégé par le « verrouillage cosmique » qu’ils ont théorisé. En revanche, ils ont réussi à démontrer que la première hypothèse de Coleman n’est pas la seule possible, et reste, elle aussi, une simplification qui fausse probablement les estimations du risque d’effondrement du faux vide. Pour confirmer cette hypothèse, il faudra que d’autres travaux soient menés, notamment pour intégrer à leur modèle la gravité, l’évolution du taux d’expansion cosmique et l’influence du champ de Higgs sur la courbure de l’espace-temps. La question posée par Coleman en 1977 était de savoir quand le faux vide s’effondrerait ; désormais il faut comprendre s’il le peut réellement : un changement de cadre théorique qui n’avait pas eu lieu en cinquante ans.