Sciences

La physique des champs scalaires

Dossier - L'univers inflationnaire
DossierClassé sous :Astronomie , boson , bosoniques

-

Explication de cette théorie de l'univers inflationnaire : problème du modèle standard, modèle de Higgs ...

  
DossiersL'univers inflationnaire
 

La plupart de ces problèmes peuvent en effet être résolus en appliquant la théorie de l'univers inflationnaire auto-reproductif. Qu'est-ce cela signifie ? Pour expliquer cela nous devons faire un détour par la théorie des particules élémentaires et en particulier la théorie électrofaible, qui unit les interactions faibles et électromagnétiques, représentées par des entités aussi différentes que le photo et les particules W ou Z, le premier n'ayant pas de masse de repos, les secondes ayant une masse très élevée. Pour unir des particules aussi différentes, une manière aussi originale qu'astucieuse consista à introduire les champs dits "scalaires".
Un champ scalaire est un lieu de l'espace où s'excerce une force qui n'est pas orientée, à l'inverse des champs vectoriels. La meilleure analogie est le potentiel électrostatique, celui qui détermine la tension aux bornes d'une pile, son voltage. Un champ électrique se manifeste uniquement lorsqu'il y a une différence de potentiel entre deux pôles ou lorsque le potentiel est alterné au cours du temps. Comme le dit Andrei Linde, "si tout l'univers avait un potentiel électrostatique de 110V, personne ne le remarquerait; le potentiel serait juste un autre état du vide". De manière analogue, un champ scalaire constant ressemblerait au vide : nous ne le verrions pas même s'il nous entourait.

Ces champs scalaire jouent toutefois un rôle majeur en ce sens qu'ils marquent leur présence dans l'univers en affectant les propriétés des particules élémentaires. Ainsi que je l'explique dans le dossier consacré à la physique quantique, si un champ scalaire interagit avec une particule W ou Z, celle-ci acquiert une masse. Par contre tant qu'une particule n'interagit pas avec le champ scalaire elle reste à l'état de photon, sans masse de repos.
Pour décrire la création des particules élémentaires, les physiciens partent de l'hypothèse qu'à l'origine les particules ne présentaient pas de masse de repos et que toutes les interactions étaient unifiées dans la théorie de Tout (TOE).
Le découplage des interactions et la scission des particules en plusieurs familles telles que nous l'observons aujoud'hui résultent d'un événement survenu beaucoup plus tard lorsque l'expansion de l'univers le remplit de champs scalaires aux propriétés différentes. Ce processus est appelé une "brisure de symétrie".

Fluctuations des champs scalaires

Cette séquence d'images représente l'évolution d'un champ scalaire juste sous la densité de Planck. Les fluctuations quantiques les plus importantes (les pics élevés) représentent des régions de l'univers subissant un phénomène inflationnaire. Actuellement notre univers se situe dans un creux de ce modèle (l'une des vallées), une région qui ne subit plus de phénomène inflationnaire. Document