Des expériences sur le fond diffus cosmologique pourraient permettre de découvrir le lien entre l’inflation cosmique et la physique des particules

Au cours de la prochaine décennie, plusieurs projets de recherche astrophysique de grande envergure seront menés, dont plusieurs seront des expériences dites de fond diffus cosmologique (CMB). Il s’agit d’efforts scientifiques de grande envergure visant à détecter et à étudier le rayonnement CMB, qui est essentiellement un rayonnement thermique provenant de l’univers primitif.

Des chercheurs de l’Université Catholique de Louvain en Belgique ont récemment montré que les prochaines observations du CMB avec le satellite japonais LiteBIRD ou les observatoires CMB Stage 4 (CMB-S4), financés principalement par les États-Unis, pourraient, en détectant les ondes gravitationnelles primordiales, mesurer pour la première fois le couplage du champ dit d’inflaton à d’autres particules, avec d’autres améliorations possibles si des données provenant d’études optiques ou de radiotélescopes de nouvelle génération sont ajoutées.

Leur article, publié dans Lettres d’examen physiquesuggère que cette mesure pourrait aider à explorer le lien entre l’inflation cosmique et la physique des particules.

« L’un des aspects les plus étonnants du modèle standard de la physique des particules est qu’il ne décrit pas seulement toutes les particules élémentaires trouvées sur Terre en termes de quelques symétries et d’une poignée de nombres, mais ces lois semblent également être suffisamment universelles pour être valables dans des régions éloignées du cosmos et dans les processus qui se sont produits dans les premiers instants après le Big Bang », ont déclaré à Phys.org Marco Drewes et Lei Ming, les deux auteurs de l’étude.

« Il est naturel de se demander jusqu’où nous pouvons remonter dans l’histoire avec les théories de la physique des particules – et ce que nous pouvons apprendre de l’univers primitif sur la nouvelle physique au-delà du modèle standard. »

Les recherches de Drewes et Ming s’appuient sur leur fascination pour le lien entre la physique des particules et la cosmologie. Leur article récent s’appuie sur des études antérieures de Drewes, commencées en 2015, qui ont jeté les bases du projet de doctorat de Ming.

Au moment de l’étude, Lei Ming était doctorant invité à l’UCLouvain et faisait partie du groupe de recherche de Drewes. Depuis, il a obtenu son diplôme et a commencé à travailler à la SYSU de Guangzhou.

« Il est largement admis que l’homogénéité globale de l’univers observable est le résultat d’une phase d’expansion cosmique accélérée appelée « inflation cosmique » il y a environ 14 milliards d’années », ont déclaré Drewes et Ming. « Cependant, on ne sait pas comment le mécanisme qui a provoqué cette accélération est lié à une théorie fondamentale de la nature, et en particulier au modèle standard de la physique des particules. Une clé importante pourrait être fournie par l’empreinte du « réchauffement cosmique » dans le CMB. »

Le réchauffement cosmique est le processus par lequel l’univers primitif s’est rempli d’un plasma chaud, après son refroidissement par expansion inflationniste. Ce processus a finalement établi les conditions initiales du « Big Bang chaud », qui a abouti à la formation de l’univers tel que nous le connaissons.

Certaines études précédentes avaient déjà exploré la possibilité de déterminer la température initiale de l’univers à l’aide des données du CMB. Mais l’étude de Drewes et Ming va encore plus loin, en examinant dans quelle mesure ces données pourraient apporter des informations sur le lien entre le CMB et la physique des particules.

Le réchauffement est provoqué par les interactions entre le champ responsable de l’inflation cosmique (c’est-à-dire l’inflaton) et d’autres particules, et est donc sensible à la constante de couplage fondamentale qui régit la force de cette interaction (le couplage inflaton). Un analogue de ce couplage enraciné dans la physique du secondaire serait, par exemple, la charge élémentaire qui régit la force d’interaction entre le champ électrique et les particules chargées.

« Nous avons montré que des expériences comme CMB-S4 ou LiteBIRD peuvent pour la première fois mesurer le couplage », ont déclaré Drewes et Ming. « Il s’agit d’un paramètre microphysique qui a non seulement façonné l’évolution de notre cosmos en fixant la température initiale du plasma primordial lors du Big Bang, mais qui peut aussi nous renseigner sur le lien entre les modèles d’inflation cosmique et les théories de la physique des particules. Notre travail ajoute donc un nouvel aspect aux cas de physique de ces expériences. »

Pour modéliser le processus de réchauffement, les chercheurs doivent utiliser une combinaison de techniques issues de la physique des particules, notamment de la théorie quantique des champs, et de la mécanique statistique. Dans leurs travaux précédents, Drewes et Ming y sont parvenus en utilisant une approche connue sous le nom de formalisme de Schwinger-Keldysh.

« Dans des travaux antérieurs, nous avons fait cela en utilisant le formalisme dit de Schwinger-Keldysh, une méthode pour décrire les processus quantiques hors équilibre dans un milieu dense qui a été initialement développée en physique de la matière condensée et plus tard généralisée à la physique des particules pour identifier les conditions dans lesquelles le couplage de l’inflaton peut en principe être contraint avec les données du CMB », ont expliqué Drewes et Ming.

Dans le cadre de leur étude récente, les chercheurs ont utilisé ces résultats pour déterminer si la prochaine génération d’expériences CMB pourrait effectivement, en pratique, effectuer cette mesure. Pour ce faire, ils ont utilisé une technique ancrée dans les statistiques bayésiennes, exploitant la sensibilité des futurs détecteurs aux ondes gravitationnelles primordiales.

« La sensibilité de notre étude actuelle est principalement déterminée par la sensibilité du CMB-S4 ou de LiteBIRD aux ondes gravitationnelles primordiales issues de l’inflation », ont ajouté Drewes et Ming. « Nous prévoyons maintenant d’étudier la quantité d’informations supplémentaires qui peuvent être obtenues en incluant d’autres observables, comme les non-gaussianités dans les perturbations cosmologiques ou ce que l’on appelle le déplacement de l’indice spectral. »

Dans l’ensemble, les résultats des analyses menées par cette équipe de chercheurs démontrent le potentiel des futures expériences CMB pour sonder le lien entre l’inflation cosmique et la physique des particules.

Drewes et Ming espèrent que leur étude encouragera la National Science Foundation (NSF) et d’autres organismes de financement à soutenir la recherche sur le CMB, y compris les activités au pôle Sud qui ont été suspendues en mai 2024 et ouvriraient la voie à l’expérience CMB-S4.

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