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L'Univers inflationnaire

Monopôles et domaines (V)

Si la théorie de Linde résout le problème de la paroi des bulles, des "domaines murés", la théorie de Guth explique aussi la formation des hypothétiques monopôles magnétiques de Dirac[8].

En effet, en supposant que la symétrie fondamentale (TOE, la Théorie de Tout) s'est brisée vers 10-43 sec et sachant qu'au temps de Planck les domaines étaient causalement liés, on peut poser c.t =10-33 cm comme étant le rayon de l'Univers à cet instant, c'est-à-dire la distance de l'horizon cosmologique (distance comobile). La brisure de la symétrie, en application des mécanismes de Higgs, aurait donné naissance à des domaines dont l'état du vide serait à chaque fois différent.

Dans les théories de Grande Unification, les intersections de plusieurs domaines sont caractérisées par des "défauts topologiques" où le champ inflaton pointe radialement vers l'extérieur à partir d'un point, comme l’eau congelée prend une forme cristalline et perd sa symétrie de rotation. Lorsque ces directions sont toutes centrifuges, il se forme un “défaut” matérialisé par une charge magnétiques unique, un monopôle magnétique. Il force l'énergie du vide à adopter une direction particulière, "figeant" la matière en fonction de la géométrie des groupes de jauge.

Les monopôles magnétiques

Structure d’une région de l’univers en expansion où la phase est symétrique et contient des "bulles-univers" où la symétrie de phase est brisée. Dans les théories de GUT les états de symétries sont caractérisés par deux paramètres : un paramètre discret, discontinu et un paramètre continu. Les flèches symbolisent l’état de symétrie brisée, le paramètre continu, tandis que les séparations entre les domaines délimitent les différents états du paramètre discontinu de symétrie brisée. Les monopôles magnétiques sont des défauts topologiques qui apparaissent à l’intersection de plusieurs domaines où les paramètres continus pointent tous dans des directions centrifuges.

Les théories unifiées prédisent qu'on retrouverait environ un monopôle à l'intersection de 3 voire de 10 domaines. Cette particule serait extrêmement lourde, au moins 1021 fois la masse du proton (≥ 1011 GeV), presque la masse d'un grain de sable mais de taille atomique (avec seulement 1000 monopôles vous auriez une masse pesant presque 2 grammes sachant que 1 GeV = 1.783 x 10-24 g !).

Suite à l’inflation, les parois des domaines séparant les bulles d'univers seraient éloignés d’un multiple de 1050 fois le rayon de la sphère observable (l’univers visible). Les monopôles existeraient donc mais seraient extrêmement rares. Lorsque l'asymétrie apparut vers 10-35 sec, le nombre de monopôle était inversement proportionnel au volume de l'Univers, soit environ 1077/cm3.

Aujourd'hui, le rapport des températures permet de dire qu'il devrait en rester quelque 10-8/cm3. Etant donné que les monopôles restent très rares, il faut ajouter à cette argument que là où la matière sombre cacherait 1021 protons, 1 seul monopôle suffirait[9].

En 1982, le physicien Blas Cabrera[10] de l'Université de Stanford semblait avoir détecté un monopôle grâce à un interféromètre à supraconducteur. Mais l'événement ne put jamais être reproduit. Les conclusions auxquelles il aboutit néanmoins bouleversent quelque peu les théories de Grande unification. Cabrera obtient un rapport monopôles/baryons inférieur à 10-9, soit une densité de 10-15 monopôles/cm3. Statistiquement, nous savons que les baryons représentent une masse volumique de quelque 10-31 g/cm3, ce qui représente une densité de quelque 10-7 baryons/cm3.

Bien qu'ils soient magnétisés, les monopôles ne semblent pas provoquer d'interactions mesurables avec le champ magnétique stellaire; ils ne diminuent pas son intensité. Leur nombre doit donc être revu à la baisse. Le rapport entre le nombre de monopôles et de baryons serait de l'ordre de 10-28, un ordre de grandeur 1026 fois plus faible que la valeur théorique basée sur la température et le volume de l'Univers !

Certains physiciens confirment cependant le fait que l'expansion brutale lors de la phase de transition a pu les éparpiller dans tout l'espace, ne rendant accessible que quelques uns d'entre eux. Mais en cent jours de veille, Cabrera n'enregistra qu'un seul monopôle suspect... Seraient-ils quasiment annihilés aujourd'hui par un processus inconnu ?

A ce jour, comme le confirme cette étude du CERN publiée en 2015 par les quelque 2900 chercheurs constituant l'équipe d'ATLAS, aucun monopôle n'a été découvert.

Quoi qu'il en soit, leur existence est une nécessité pour valider l’inflation et l'évolution des inflatons.

La formation des galaxies

La théorie de l'inflation chaotique prédit également l'existence des monopôles mais contrairement à la théorie de Guth ses prédictions s’accordent avec des paramètres arbitraires qui semblent confirmer que l'idée d'Andrei Linde s'accorde mieux avec les lois de la physique que celle exprimée par Alan Guth.

Mais si l'inflation chaotique résout tous les problèmes, le modèle semble trop parfait pour être vrai. En gommant toute les inhomogénéités à grande échelle, l'inflation n'explique pas comment les galaxies ont émergé de cette mer d'huile.

Linde explique qu'en lissant les champs scalaires, l'inflation a également créé des inhomogénéités par effet quantique. Dans une première théorie les physiciens considéraient que des fluctuations des inflatons pendant la phase de transition avaient régénérées des inhomogénéités qui s'étendirent jusqu'à l'échelle astronomique en raison de l'inflation.

Mais Linde a imaginé un autre scénario. Des fluctuations du vide quantique que l'on peut imaginer semblables à des ondes microscopiques dans les champs physiques classiques présentaient toutes les longueurs d'ondes et se déplaçaient dans toutes les directions. Dans l'univers inflationnaire la structure du vide devint rapidement complexe. L'inflation détendit les ondes qui devinrent suffisamment larges pour que leurs ondulations commencent à s'imprégner de la courbure de l'espace-temps. A ce moment là, les ondes ont cessé de se déplacer en raison de la friction présente dans le milieu (pour rappel les champs scalaires contiennent un terme décrivant la friction).

Les premières fluctuations quantiques ont en quelque sorte figé les longueurs d'ondes les plus petites. A mesure que l'univers s'étendit, de nouvelles fluctuations se sont détendues et se sont figées sur les ondes précédentes. A cette étape de l'évolution de l'univers on ne peut plus les appeler des fluctuations mais bien des ondes. La plupart de ces ondes sont devenues extrêmement étendues. Etant donné qu'elles ne se déplaçaient plus et n'ont pas disparues, elles ont localement augmenté l'énergie des champs scalaires et l'on diminué ailleurs, créant de nouvelles inhomogénéités.

Ces perturbations des champs scalaires sont à l'origine des perturbations de densité qui ont conduit à la formation des premiers halos diffus de matière et formés les germes des grandes structures cosmiques que les satellites micro-ondes COBE, WMAP et Planck ont détecté sur la dernière surface de diffusion quelque 380000 ans après le Big Bang.

Une révolution en route

Malgré l'incertitude qui reste sur la densité des monopôles, cette théorie permet d'expliquer pourquoi l'Univers contient autant de matière. L'énergie libérée par un seul domaine en inflation apporta à l'Univers énormément de matière potentielle. Aujourd'hui dans l'Univers, il reste plus de 1080 photons, auxquels il faut ajouter un milliardième de matière baryonique et selon les estimations, de 20 à 100 millionième de matière invisible. Linde expose le nombre d'au moins 1090 particules élémentaires dans l'univers visible. Il obtient ce chiffre en considérant que le volume est proportionnel au cube du diamètre de l'univers à l'époque de l'inflation, et qu'il aurait doublé au moins cent fois de taille, une valeur modeste déduite des paramètres des particules élémentaires ou des facteurs géométriques, ce qui conduit au nombre de (2100)3 ~ 2x1090.

L'ancien modèle inflationnaire conservait quelques constantes irréductibles qui faisaient partie des conditions initiales du système afin d’obtenir les composantes "non nulles" des champs inflatons. A l'inverse, il diluait la densité des baryons sous un seuil négligeable pour mieux s'accorder avec les théories de Grande Unification dans lesquelles le nombre baryonique n'est pas conservé. Aujourd'hui l'inflation chaotique résout ce problème en posant arbitrairement ses conditions initiales. Si la théorie est confirmée par les physiciens ces derniers recherchent activement les monopôles dont les propriétés pourraient asseoir définitivement la théorie de l'inflation chaotique.

Sans rester dans les limbes de la connaissance pure et abstraite, la théorie de Linde prévoit quelques vérifications expérimentales pouvant servir de tests prédictifs à sa théorie :

- L'inflation prédit que l'univers devrait être extrêmement plat. Quelle que soit la densité initiale de l'univers, que Ω = 2, 10, 103 ou même 10-6, l'inflation doit faire converger la densité vers Ω = 1. La précision serait même de 58 positions derrières la virgule ! Cette assertion est vérifiable car la densité d'un univers plat est en relation avec son taux d'expansion. A l'heure actuelle les résultats sont en accord avec cette prédiction, Ω = 1.

- La densité des perturbations produites durant l'inflation aurait affecté la distribution de matière dans l'univers et serait accompagnée d'ondes gravitationnelles. Ces ondes gravitationnelles et ces perturbations de densité seraient imprégnées dans le rayonnement cosmologique à 2.7 K. Ce sont ces non uniformités dans le rayon cosmologique que les satellites micro-ondes ont découvertes et mesurées avec une extrême précision.

Ces deux tests ne confirment pas la théorie inflationnaire mais ils réduisent le nombre de théories concurrentes qui toutes doivent à présents satisfaire ces deux tests expérimentaux. Aucune autre théorie ne peut aujourd'hui expliquer simultanément pourquoi l'univers est si homogène à grande échelle et présentait déjà des "rides" 380000 ans après le Big Bang.

D'autres observations peuvent bien entendu contredire le modèle inflationnaire, comme le fait de découvrir que la densité de l'univers serait très éloignée de la densité critique. Il existe une solution mais elle est très complexe. D'un autre côté la théorie inflationnaire repose sur la théorie des particules élémentaires qui n'est pas une théorie complètement assise sur des bases définitives. La théorie des supercordes par exemple ne conduit pas automatiquement à l'inflation. Pour l'y contraindre les physiciens on besoin d'idées radicalement nouvelles. Mais la recherche continue. Linde discute avec ses collègues d'inflation naturelle, d'inflation hybride et de bien d'autres modèles. Chacun présente des détails qui doivent cependant être confrontés à l'expérience. Mais ils sont tous basés sur une seule et même idée, l'inflation chaotique.

Pour conclure sur une note philosophique, une fois encore l'histoire des sciences confirme que l'homme est capable d'appréhender les questions métaphysiques d'hier. Reconnaissons qu'il s'agit d'une véritable révolution scientifique et intellectuelle qui se déroule aujourd'hui sous nos regards incrédules. Cette théorie nous prépare-t-elle à serrer la main du Créateur ? Hawking en tous cas le pense. Si d'un autre côté, pour expliquer l'étrangeté du monde, Linde n'hésitait pas à parler du principe anthropique dans les années 1980, il reconnaissait toutefois au milieu des années 1990 qu'il ne s'agissait pas d'une explication.

Je remercie le Dr Gary Felder, physicien expert des théories inflationnaires, aujourd'hui professeur associé au département de Physique du Smith College du Massachusetts et ancien collaborateur du Pr Andrei Linde pour m'avoir apporté quelques éclaircissements pour la rédaction de cet article.

Cet article fut publié sur Futura-Sciences en 2001 et mis à jour.

Pour plus d'informations

Généralités

A Cosmic Controversy (and replies from 33 scientists), Scientific American, May 2017

Les publications d'Andrei Linde, U.Stanford

Prospects of Inflationary Cosmology (PDF), A.Linde, 1996

Les publications d'Alan Guth, MIT

Alan Guth on inflation, IPAC/Level 5, 1997

Le site web d'Edward Witten, IAS

Le site web de Michio Kaku

Le site web de Stephen Hawking

Les livres de John Gribbin et son site web (en hibernation)

Condensé cosmologique (évènements et dates clés, .doc), Félix Pharand, 2003

Open inflation by Neil Turok (DAMTP)

The transactional interpretation of quantum mechanics, J.Cramer, 1986

The inflationary Universe—birth, death and transfiguration (Nuffield Workshop), J.Barrow et M.Turner, 1982

Renormalization of Massless Yang-Mills Fields (mécanismes de Higgs), G.'t Hooft, Nuclear Physics (PDF), B33, pp.173-199, 1971

Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons (mécanismes de Higgs), Peter W. Higgs, Phys. Rev. Lett. 13, 508, 1964

LATTICEEASY (logiciel), G.Felder et I.Tkachev

ArXiv (articles scientifiques)

Vidéos sur l'univers inflationnaire, les multivers et les champs de Higgs

La magie du cosmos - Univers ou multivers, YouTube (reportage sur les travaux d'A.Guth, A.Linde, B.Greene, etc)

Lecture 1. Inflationary Cosmology: Is Our Universe Part of a Multiverse? (Video+Transcript) Part I, A.Guth, 2013

C'est quoi le boson de Higgs et comment on le recherche, John Ellis, 2012

Le boson de Higgs, Etienne Klein, 2013

La découverte du boson de Higgs, Sandrine Laplace, 2014

Des signaux du Boson de Higgs découverts, Jessica Leveque, 2011

Quelques livres (cf. détails dans ma bibliothèque dont les rubriques Physique Quantique et Cosmologie)

Niveau vulgarisation

Aux origines de la masse, Jean Iliopoulos, EDP Sciences, 2015

Histoire de la physique, Vuibert, J.Baudet, 2015

Notre univers mathématique, Max Tegmark, Dunod, 2014

L'invention du Big Bang, Jean-Pierre Luminet, Le Seuil/Points Sciences, 2004/2014

Initiation à la cosmologie, Marc Lachièze-Rey, Elsevier/Masson, 1992; Dunod, 1999/2004/2013

La réalité cachée, Brian Greene, Robert Laffont, 2012

Le livre des univers, John Barrow, Dunod, 2012

L'Univers dans une coquille de noix, Stephen Hawking, Odile Jacob, 2002/2009

Au-delà de l'espace et du temps : la nouvelle physique, Marc Lachièze-Rey, Le Pommier, 2003/2008

The Inflationary Universe, Alan H. Guth, Jonathan Cape, 1997 (relié); Perseus Books, 1998; Vintage, 1998

Niveau avancé ou universitaire

The Science of The Big Bang Theory (2 tomes), Paul F.Kisak, CreateSpace Independent Publ. Platform, 2015

Cosmologie primordiale, Patrick Peter et Jean-Philippe Uzan, Belin coll.Echelles, 2005/ 2012

Cosmologie : Des fondements théoriques aux observations, Francis Bernardeau, EDP Sciences, 2007

Cosmological Inflation and Large-Scale Structure, Andrew R. Liddle et David H. Lyth, Cambridge University Press, 2000

Quantum Theory, Black Holes and Inflation, Ian Moss, Wiley-Blackwell, 1996

Particle Physics and Inflationary Cosmology, Andrei Linde, CRC Press, 1990

300 years of gravitation, Stephen Hawking et Werner Israel, Cambridge University Press, 1989.

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[8] G.'t Hooft, Nuclear Physics, B, 79, 1974, p276 et A.Polyakov, JETP Letters, 20, 1974, p194.

[9] En 2011, D.Milstead et E.J. Weinberg ont fait la revue de l'état des recherches sur les monopôles et ont précisé qu'en fonction des conditions physiques, la masse du monopôle est estimée entre 1011 GeV et 1018 GeV. 1021 protons = 1016 GeV et ~10-8 g.

[10] B.Cabrera, Physical Review Letters, 48, 1982, p1378 - GBL, Physics Today, June 1982, p17 - B.Cabrera et al., Physical Review Letters, 51, 1983, p1933 - B.Schechter, Discover, July 1982 - P.Musset, La Recherche, Juillet-Août 1983.


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