Accélérateurs d'énergie Planck

L'énergie la plus élevée concevable pour une particule élémentaire est l' énergie dite de Planck . Avec cette énergie, la mécanique quantique change la nature de la gravité et l'interaction gravitationnelle est aussi forte que les interactions électromagnétiques, faibles et fortes. L'énergie de Planck est supérieure de 19 ordres de grandeur à la masse d'un proton. Pour y parvenir, un proton doit être accéléré jusqu'à un facteur de Lorentz relativiste de 10 à la puissance 19.

En mécanique quantique, le principe d'incertitude de Heisenberg implique que la position d'une particule peut être déterminée avec une précision égale à la constante de Planck divisée par la quantité de mouvement de la particule. A l'énergie de Planck, cette incertitude est aussi petite que l'horizon des événements d'un trou noir de masse de Planck équivalente.

Le Big Bang aurait pu commencer avec une température égale à l'énergie de Planck au temps de Planck qui est de 43 ordres de grandeur plus courte qu'une seconde, mais depuis lors toutes les particules cosmiques se sont considérablement refroidies par l'expansion cosmique. Aucun accélérateur astrophysique naturel ne devrait ramener des particules à l'énergie de Planck.

Cependant, on peut se demander si une civilisation technologique avancée aurait pu investir des ressources majeures dans la recherche expérimentale la plus ambitieuse d'une nouvelle physique en brisant des protons à la plus haute énergie possible, dans l'esprit de l'ultime extension du Grand collisionneur de hadrons du CERN . Qu'impliquerait un accélérateur d'énergie Planck ?

Dans un article de 1951 , le physicien de Harvard Julian Schwingerdéduit une limite supérieure de l'intensité d'un champ électrique. Traduit dans notre contexte, ce champ électrique maximum correspond à une chute de potentiel électrique de l'énergie de Planck de plus de dix fois la taille du Soleil. Un champ électrique plus fort se décompose en créant spontanément des paires électron-positon à partir du vide. Selon l'électrodynamique quantique, le vide contient des fluctuations de paires virtuelles électron-positon. En conséquence, une amplitude de champ représentant une chute de potentiel électrique de deux fois la masse de l'électron sur l'incertitude de l'échelle de longueur associée à la masse de l'électron, produirait ces paires et se dégraderait rapidement vers une amplitude plus faible. Cela implique que la taille requise d'un accélérateur d'énergie de Planck doit être supérieure à dix fois la taille du Soleil.

Le faisceau de l'accélérateur pourrait permettre l'échappement de particules énergétiques si l'accélération se produit dans un jet avec un facteur de Lorentz de masse suffisamment grand, de sorte que l'énergie observée des particules accélérées soit amplifiée par le facteur de Lorentz de l'écoulement où l'accélération a lieu. La situation est similaire à celle rencontrée dans les sursauts gamma qui proviennent de jets relativistes. La condition de transparence pour atteindre l'énergie de Planck nécessite une sortie avec un facteur de Lorentz de volume supérieur à un million. Bien que ce défi soit en principe réalisable, il existe un obstacle plus important lié à la faiblesse de la section efficace d'interaction à l'énergie de Planck.

Basé sur le principe d' unitarité , la section efficace pour les collisions de faisceaux opposés de protons avec une énergie dans le centre de masse égale à l'énergie de Planck est le carré de l' échelle de longueur de Planck, approximativement la constante de Newton multipliée par la constante de Planck divisée par la vitesse de la lumière au cube. Cette section efficace est inférieure de 41 ordres de grandeur à la section efficace totale des collisions proton-proton. L'énorme rapport entre les deux signifie qu'une seule collision sur 10 à la puissance de 41 collisions de protons à l'énergie de Planck entraînera une interaction d'énergie de Planck tandis que le reste conduira à une pluie de particules de moindre énergie. Pour produire un neutrino d'énergie de Planck en écrasant des protons de haute énergie les uns contre les autres, il faut un apport énergétique total de 10 à la puissance 41 fois l'énergie de Planck ou, de manière équivalente, mille fois la masse du Soleil.

Cette exigence irréaliste signifie que si nous détectons des neutrinos d'énergie de Planck, leur origine doit être différente de celle d'un accélérateur technologiquement conçu.

Une possibilité est que les particules d'énergie de Planck soient les reliques de trous noirs primordiaux avec une masse inférieure à un astéroïde de taille kilométrique, qui s'est évaporée par le rayonnement de Hawking au cours de l'âge de l'Univers. Une autre possibilité est que les particules d'énergie de Planck soient les produits de désintégration de particules plus massives, produisant peut-être une partie de la matière noire.

Cependant, nous ne devons pas exclure la possibilité que notre compréhension actuelle de la physique soit incomplète. La plupart des étoiles semblables au Soleil se sont formées des milliards d'années avant le Soleil. Une civilisation scientifique avancée qui nous a précédés d'un milliard d'années aurait pu trouver un raccourci pour fabriquer des messagers énergétiques de Planck. Si nous détectons un jour un faisceau de neutrinos d'énergie de Planck, nous saurons où rechercher une nouvelle physique.

Nous devrions explorer l'Univers de manière agnostique comme une expérience d'apprentissage. Trouver des scientifiques extraterrestres plus intelligents dans notre voisinage cosmique pourrait être un moyen plus rapide pour nous d'apprendre la physique de l'énergie de Planck que d'attendre que nos propres agences de financement construisent un accélérateur d'énergie de Planck. Mes filles ont eu un choc psychologique lorsqu'elles ont rencontré des enfants plus intelligents lors de leur premier jour de maternelle. C'est peut-être un coup dur pour notre ego d'admettre qu'un scientifique plus intelligent qu'Albert Einstein est né sur une exoplanète il y a un milliard d'années. Mais si renoncer à notre arrogance scientifique est le seul prix à payer pour économiser un milliard d'années dans notre exploration scientifique, qu'il en soit ainsi.

A PROPOS DE L'AUTEUR

Avi Loeb est à la tête du projet Galileo, directeur fondateur de l'Université de Harvard - Black Hole Initiative, directeur de l'Institut de théorie et de calcul du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics et ancien président du département d'astronomie de l'Université de Harvard (2011 –2020). Il préside le conseil consultatif du projet Breakthrough Starshot et est un ancien membre du Conseil consultatif du président sur la science et la technologie et un ancien président du Conseil de physique et d'astronomie des académies nationales. Il est l'auteur à succès de « Extraterrestre : le premier signe de vie intelligente au-delà de la Terre » et co-auteur du manuel « La vie dans le cosmos », tous deux publiés en 2021. Son nouveau livre, intitulé « Interstellar », dont la publication est prévue en août 2023.