Inflation cosmique : Où se cache l’inflaton ?

Des chercheurs ont fait une analyse des données collectées par le LHC et ils estiment que l’inflaton, la particule hypothétique de l’inflation cosmique, n’existe pas.


Des chercheurs ont fait une analyse des données collectées par le LHC et ils estiment que l'inflaton, la particule hypothétique de l'inflation cosmique, n'existe pas.

Dans les premiers instants après le , l’Univers a pu se développer jusqu’à des milliards de milliards de fois plus rapidement en quelques fractions de seconde. Une telle expansion rapide est sans doute provoquée par un champ de force primordial avec une nouvelle particule qui est l’. À partir de la dernière analyse de la désintégration des mésons, réalisée dans l’expérience du par des physiciens de Cracovie et de Zurich, il semble cependant que l’inflaton, une particule présentant les caractéristiques du , mais moins massive, n’existe pas.

Juste après le Big Bang, l’Univers est probablement passé par une phase d’inflation qui est une version extrême de l’expansion. Si l’inflation s’est vraiment produite, alors elle a été accompagnée par un nouveau champ de force. Les médiateurs de cette force seraient des particules hypothétiques connues comme des inflatons. Ces dernières devraient avoir de nombreuses caractéristiques similaires au boson de Higgs. Les physiciens de l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) de Cracovie et de l’Université de Zurich (UZH) ont cherché des traces d’inflatons dans la désintégration des mésons B+ enregistrés par des détecteurs dans l’expérience LHCb au CERN. Une analyse détaillée des données met en doute l’existence des inflatons.

Malgré ses effets faibles, la gravitation détermine l’apparence de l’Univers à grande échelle. En conséquence, tous les modèles cosmologiques modernes se basent sur notre meilleure théorie de la gravité qui est celle de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein. Les premiers modèles cosmologiques, se basant sur la théorie de la relativité, ont suggéré que l’Univers était une création dynamique. Aujourd’hui, nous pouvons dire qu’il était extrêmement dense et chaud, mais il y a 13,8 milliards d’années, il a commencé à se développer. La théorie de la relativité permet de prédire le cours de ce processus à partir des fractions de secondes après le Big Bang.

L’un des premiers « témoins » de cet événement est le fond diffus cosmologique qui s’est formé quelques centaines d’années après le Big Bang. Il correspond actuellement à une température d’environ 2,7 kelvins et il imprègne uniformément l’univers. Et c’est cette homogénéité qui est intrigante selon le Dr Marcin Chrzaszcz en expliquant : Quand nous regardons dans le ciel, les fragments de l’espace profond visibles dans une direction peuvent être si éloignés par rapport à une autre direction que la lumière n’a pas encore eu le temps de passer entre les deux zones. Donc, une chose qui s’est produite dans une zone ne devrait pas affecter l’autre. Mais quel que soit l’endroit où nous regardons, la température des régions éloignées du cosmos est presque identique ! Mais comment expliquer cette uniformité ?

L’uniformité du s’explique par le mécanisme proposé par Alan Guth en 1981. Dans son modèle, l’Univers s’est développé lentement à la base et tous ses fragments observés aujourd’hui ont eu le temps d’interagir et d’uniformiser la température. Mais à un certain point, selon Guth, il aurait dû y avoir une expansion très courte, mais extrêmement rapide de l’espace-temps. Le nouveau champ de force responsable de cette a augmenté l’Univers à un tel point qu’il présente une uniformité remarquable.

Un nouveau champ signifie toujours l’existence d’une particule qui est le médiateur de l’effet. La cosmologie est devenue intéressante pour les physiciens qui examinaient les phénomènes à petite échelle. Pendant longtemps, un bon candidat de l’inflaton semblait être le boson de Higgs. Mais quand en 2012, on a observé les Higgs dans le LHC et il était trop lourd pour être l’inflaton. Si le boson de Higgs était responsable de l’inflation, alors le rayonnement fossile serait différent de celui qu’on observe actuellement selon le docteur Chrzaszcz.

Les théoriciens ont proposé une solution à cette situation surprenante. L’inflaton serait une nouvelle particule avec les propriétés de Higgs, mais avec une masse nettement plus petite. Dans la mécanique quantique, la nature identique des caractéristiques provoque une oscillation des particules dans la mesure où elles se transforment cycliquement l’une dans l’autre. Un modèle d’inflation construit de cette manière n’aurait qu’un seul paramètre qui serait la fréquence d’oscillation et de transformation entre l’inflaton et le boson de Higgs.

La masse de l’inflaton pourrait être suffisamment petite pour que la particule apparaisse dans la désintégration des mésons B+. Et on enregistre une grande quantité de ces mésons dans l’expérience LHCb du LHC. Nous avons donc décidé de rechercher la désintégration des mésons se produisant à travers l’interaction avec l’inflaton dans les données recueillies dans le LHC de 2011 à 2012 selon Andrea Mauri (UZH).

Si les inflatons existaient réellement, alors le méson B+ devrait parfois se décomposer en un kaon (méson K+) et une particule de Higgs qui se transformerait en un inflaton en raison de l’oscillation. Après avoir parcouru quelques mètres dans le détecteur, l’inflaton se décomposerait en 2 particules élémentaires qui sont le muon et l’antimuon. Mais les détecteurs de l’expérience LHCb n’indiquent aucune présence du Higgs ou de l’inflaton. Les chercheurs espéraient voir l’émission de kaons et l’apparition de paires muon-antimuon.

Selon le paramètre décrivant la fréquence de l’oscillation inflaton/higgs, le processus de la désintégration méson B+ devrait être légèrement différent. Dans notre analyse, nous recherchions des désintégrations avec des variations de 99 % par rapport aux valeurs possibles de ce paramètre et nous n’avons rien trouvé. Nous pouvons donc dire avec une grande certitude que l’inflaton n’existe tout simplement pas selon le Dr Chrzaszcz.

Théoriquement, un inflaton de masse faible peut encore se cacher dans le 1 % des variations d’oscillation restantes. Ces cas seront éventuellement exclus par de prochaines analyses avec des données plus récentes du LHC. Cependant, les physiciens doivent désormais s’habituer à l’idée que si l’inflaton existe, alors c’est une particule plus massive qu’on ne pensait ou qu’elle apparait dans plusieurs variantes. Mais si au fil du temps, ces variantes ne correspondent à la réalité, alors l’inflation, qui explique l’homogénéité observée de l’Univers, deviendra littéralement le plus grand mystère de la cosmologie moderne.

Source : Physical Review D (http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevD.95.071101)

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Jacqueline Charpentier

Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

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