Des physiciens détectent un photon ultra-énergétique « impossible » : il a traversé l’Univers et atteint la Terre alors qu’il aurait dû être détruit

Les deux physiciens se sont donc tournés vers une autre piste théorique : la violation de l'invariance de Lorentz. Formulé par le physicien néerlandais Hendrik Lorentz à la fin du XIXᵉ siècle, ce principe, central dans la relativité restreinte d'Einstein, impose que les seuils d'interaction entre particules ne dépendent pas de l'échelle d'énergie à laquelle on les observe. Concrètement, cela signifie que le seuil de production de paires est le même pour un photon de 10 TeV et un photon de 300 TeV. Si cette invariance est violée aux plus hautes énergies, comme le prédisent certains modèles de gravité quantique, ce seuil se décale : il faut davantage d'énergie combinée pour que la collision entre deux photons produise une paire électron-positron, ce qui réduit drastiquement la probabilité d'annihilation.

Plusieurs approches de la gravité quantique ont d'ailleurs prédit la violation de l'invariance de Lorentz au sein de leurs cadres théoriques : aux énergies extrêmes, l'espace-temps ne serait plus le continuum lisse décrit par Einstein, mais présenterait une microstructure granulaire, invisible aux basses énergies, dont les effets sur les conditions de réaction entre particules ne se manifesteraient qu'à des échelles comme celle de notre photon de 300 TeV. Galanti et Roncadelli ont combiné ce mécanisme avec la conversion en ALP dans un même modèle : les ALP réduisent l'absorption aux premières dizaines de TeV, la violation de l'invariance de Lorentz rehausse le seuil de destruction au-delà.

Pris séparément, ni l'un ni l'autre ne rend compte de la détection de Carpet-2. Une fois combinés, ils peuvent, en revanche, expliquer la survie du photon et un second fait observé : son arrivée sur Terre avec un retard d'environ une heure par rapport aux photons moins énergétiques issus du même sursaut gamma. Un décalage que la violation de l'invariance de Lorentz prédit naturellement, puisqu'elle implique que la vitesse de propagation varie, de façon infinitésimale, en fonction de l'énergie.

« L'aspect le plus intéressant de notre travail, c'est qu'il réunit pour la première fois deux idées qui, jusqu'ici, avaient été développées séparément », souligne Marco Roncadelli. « Si de futures observations venaient à confirmer ce scénario, l'Univers deviendrait un laboratoire naturel pour étudier la gravité quantique à des énergies infiniment supérieures à celles que pourrait atteindre le moindre accélérateur construit sur Terre ».

Ce n'est, pour le moment, qu'une hypothèse, puisqu'elle ne repose que sur la détection d'un seul photon ; il est impossible de la généraliser, limite que les auteurs reconnaissent eux-mêmes. « Il va sans dire que nos résultats nécessitent des confirmations supplémentaires par de futures observations. Seul le temps dira si ces deux indices constituent de véritables découvertes », expliquent-ils. Pour cela, il faudrait qu'un autre sursaut gamma de la même intensité que GRB 221009A se produise et soit capté par un détecteur capable de l'intercepter : deux conditions indispensables, mais dont la réunion n'est absolument pas garantie. Si un deuxième photon de ce type était détecté, cela constituerait une preuve solide, premièrement, que la relativité restreinte d'Einstein a des limites aux énergies extrêmes. Deuxièmement, cela donnerait aux physiciens le premier moyen d'étudier la gravité quantique sans avoir à recourir aux accélérateurs de particules terrestres, puisque les énergies en jeu dans de tels sursauts gamma dépassent de plusieurs ordres de grandeur ce que nos machines les plus puissantes sont en mesure de produire.