La naissance de l’univers

Comment l’univers est-il né ?

La physique des particules est-elle en période de crise ? Keith Baker, physicien du Thomas Jefferson National Accelerator Facility, y voit une période d’opportunité pour décrire de nouveaux phénomènes.
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Selon les théories modernes de l’évolution cosmique, l’univers a commencé par une explosion singulière, suivie d’une poussée d’expansion inflationniste. Pour comprendre l’inflation, il faut faire des percées dans notre compréhension de la physique fondamentale, de la gravité quantique et de la théorie unifiée ultime. Bien que les conditions inflationnistes soient trop élevées en énergie pour être reproduites sur Terre, nous pouvons observer leurs signatures, transmises au fil des éons par leur empreinte sur la matière relique que nous pouvons encore détecter de cette époque.
Après l’inflation, les conditions de l’univers primitif étaient encore si extrêmes qu’elles pouvaient combiner les particules élémentaires en de nouvelles phases de matière. Au fur et à mesure de l’expansion et du refroidissement de l’univers, des transitions ont eu lieu, la matière passant d’une phase à une autre, comme la vapeur se condensant en eau. Certaines de ces transitions de phase ont pu être les événements les plus spectaculaires de l’histoire cosmique, façonnant l’évolution de l’univers et laissant des vestiges observables aujourd’hui. Les transitions de phase cosmiques pourraient être recréées dans des expériences d’accélérateurs à haute énergie.

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Selon les théories actuelles de l’évolution cosmique, l’univers commence par une « singularité initiale », un point où toutes les lois connues de la physique s’effondrent. Cette singularité a produit un univers délicatement équilibré, comme un crayon si précisément équilibré sur sa pointe qu’il reste droit pendant 14 milliards d’années. Comment l’univers a-t-il atteint un tel état ? Comment est-il devenu si vieux ? Pourquoi n’a-t-il pas explosé encore plus loin ou ne s’est-il pas effondré sur lui-même ?

Depuis deux décennies, la théorie de l’inflation cosmique offre une explication convaincante du début du big bang. Selon cette théorie, une première phase d’expansion accélérée a donné naissance à l’univers équilibré que nous voyons aujourd’hui. L’inflation cosmique est la main qui a équilibré le crayon sur sa pointe. Comme sous-produit, elle a également produit les graines qui ont évolué en étoiles, galaxies, amas de galaxies et autres structures dans l’univers.

L’inflation cosmique présente des défis liés aux questions fondamentales de ce rapport. Une possibilité est que l’inflation cosmique ait pris naissance avec une forme d’énergie sombre, semblable à l’énergie sombre observée aujourd’hui. Si tel est le cas, quel type de matière l’a produite ? Cette forme de matière joue-t-elle un rôle dans l’unification ? Quel est son rapport avec les dimensions supplémentaires ? Plus radicale encore est la possibilité que l’espace et le temps aient changé de nature au début du big bang. La théorie des cordes adoucit-elle la singularité initiale ? Quel modèle la nature a-t-elle réellement choisi ?

À l’heure actuelle, les mesures des fluctuations du fond diffus cosmologique (CMB), notamment celles de WMAP, fournissent les meilleures preuves en faveur de l’inflation. Les contraintes sur les paramètres cosmiques, comme la courbure de l’univers, et la nature de la structure cosmique, sont en large accord avec les prédictions de la théorie inflationniste. A terme, les mesures de la polarisation du CMB pourraient permettre de détecter les signatures des ondes gravitationnelles produites pendant l’époque de l’inflation, ce qui pourrait fournir des informations sur la nature du champ scalaire qui a produit l’inflation.

Après le big bang, l’univers s’est étendu et refroidi pour atteindre son état actuel. En cours de route, l’univers est passé par une série de transitions de phase dans lesquelles diverses particules ont gelé, comme l’eau se transforme en glace en se refroidissant. Ces transitions de phase sont à l’origine de certaines des époques les plus importantes de l’histoire cosmique. Par exemple, une transition de phase pourrait être à l’origine de l’inflation cosmique. Les transitions de phase pourraient produire des « défauts cosmiques », comme les cordes et la texture et d’autres formes exotiques de matière, qui pourraient expliquer les rayons cosmiques à ultra-haute énergie, la matière noire et peut-être même l’énergie noire.

Les expériences menées au LHC continueront à éclairer la transition de phase électrofaible, où la plupart des particules connues ont acquis leur masse. Une meilleure compréhension de cette transition de phase permettra aux scientifiques de se rapprocher du big bang lui-même. En effet, il est probable que la transition de phase électrofaible soit la source ultime de l’asymétrie matière-antimatière que nous observons aujourd’hui dans l’univers. Les découvertes de nouvelles particules et de nouvelles interactions éclaireront cette histoire et détermineront si elle est correcte. De plus, le récit de l’évolution cosmique doit intégrer toute découverte de nouvelles symétries ou de nouvelles dimensions.

Actuellement, la transition de phase cosmique la plus intensément étudiée est liée à la chromodynamique quantique (QCD), la théorie de la force nucléaire. Pendant la transition de phase QCD, la matière baryonique de l’univers actuel s’est condensée à partir d’un état plasmatique de quarks et de gluons. L’installation RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) du BNL crée actuellement des collisions d’ions lourds pour étudier le plasma quark-gluon ; l’expérience ALICE au LHC étudie le plasma quark-gluon à des énergies et des températures plus élevées. Les installations de calcul sur réseau permettront d’effectuer des calculs pour mieux comprendre les données du RHIC et les conditions qui prévalent à cette époque de l’évolution de l’univers primitif.

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