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L'inflation

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

  
DossiersL'univers inflationnaire
 

Dans ses grandes lignes, une majorité de mathématiciens, de physiciens et d'astronomes approuvent la théorie du modèle inflationnaire bien qu'aucune certitude absolue ne puisse être avancée. Partant du modèle standard, tous les physiciens sont d'accord pour admettre le scénario d'un Univers primitif, pas nécessairement chaud, explosant à partir d'un phénomène de Big Bang. Les physiciens peuvent en parler avec assurance. Ce phénomène ne nécessite pas une singularité à l'origine des temps. C'est seulement une hypothèse de travail. Un seul artifice est indispensable : l'Univers plat euclidien. Les modèles numériques actuels permettent de résoudre de nombreux problèmes de la physique quantique jusqu'à une époque très lointaine dans le temps, jusqu'à 10-43 sec, le temps de Planck. On ne peut en effet s'expliquer cette phase de transition qui aurait donné lieu à l'inflation de l'Univers. La théorie de la gravitation quantique reste partielle, la relativité générale ne tenant pas compte du principe d'indétermination de Heisenberg. Rien ne nous permet d'explorer l'espace-temps pendant cette période, tout au plus peut-on imaginer quelques conséquences.

Historiquement, la phase inflationnaire fut envisagée pour la première fois par le physicien soviétique Erast Gliner de l'Institut de Physique et de Technologie de Léningrad au début des années 1970. Quatre ans plus tard Andreï Linde de l'Institut Lebedev de Moscou aujourd'hui à l'Université de Stanford découvrit que les champs scalaires homogènes classiques, notés f et présents dans toutes les théories unifiées des particules élémentaires, pouvaient jouer un rôle dans l'instabilité de l'état du vide et conduire à un réchauffement de l'Univers. En 1979 Alexey Starobinsky de l'Institut L.D.Landau de Physique Théorique de Moscou montra que le régime d'expansion exponentielle et le réchauffement de l'Univers qui s'en suivit apparaissaient dans la théorie de la gravitation à condition de tenir compte de corrections quantiques. Un peu plus tard, Sidney Coleman de l'Université d'Harvard découvrit que les champs de Higgs, des briseurs de symétrie, pouvaient déclencher cette inflation spontanément par effet tunnel.

Andreï Linde nous rappelle que le niveau d'énergie requis pour unifier les 4 interactions fondamentales de la nature n'est pas très différent de la masse de Planck, ~10-5gr. A cette échelle les effets de la gravité quantique deviennent importants. La masse de Planck est la masse pour laquelle la longueur d'onde de Compton lp ~10-33 cm égale le rayon de Schwarzschild. A ce niveau d'énergie la gravitation doit être prise en considération. Cette énergie Mpc2 ~1019 GeV, ce qui correspond à l'énergie cinétique d'un petit avion. Par comparaison, l'anneau à supraconducteur SSC accélère les particules jusqu'à 104 GeV. Aujourd'hui les physiciens des particules élémentaires ne peuvent donc pas reproduire en laboratoire les conditions qui régnaient dans l'univers à cette époque reculée, il y a environ 15 milliards d'années.

Le plus grand accélérateur circulaire que l'on peut construire sur Terre, avec une circonférence de 40000 km, ne peut pas accélérer les particules au-delà de quelque 108 GeV, une énergie dans le centre de masse occasionnellement mesurée dans les collisions entre rayons cosmiques. Mais il reste 12 ordres de grandeurs en-dessous du niveau d'énergie requis pour tester directement les théories de Grande Unification (1019 GeV). Linde conclut qu'"essayer de trouver une théorie correcte des interactions fondamentales à partir d'expériences qui se déroulent à de si basses énergies équivaut à rechercher la théorie correcte de l'union électrofaible en n'étudiant que les ondes radios".

Le seul accélérateur capable de produire de telles énergies en direct est notre univers lui-même : "A une époque où la densité de l'univers et sa température étaient largement infinies écrit Linde, où kT/c2 excédait la masse de Planck et la densité excédait Mp/Lp3, les fluctuations de la métrique prédominaient". Le scénario du Big Bang stipule qu'après un début extrêmement chaud, l'expansion de l'Univers entraîna une chute drastique de sa température qui évolua en fonction inverse du rayon de l'Univers, le facteur d'échelle. Par conséquent, aux énergies les plus élevées de l'Univers, les interactions n'ont pu se produire que pendant la phase primordiale de son évolution.

Et de nouveau surgit la même question entreveue à propos des modèles d'univers, comment extraire les informations utiles d'une expérience unique qui s'est produite il y a 15 milliards d'années ? C'est parce que la réponse fut inattendue qu'il fut surprenant de constater que l'étude des particules élémentaires qui traitait justement des processus physiques se déroulant à hautes températures pouvait écarter la plupart des théories unifiées existantes et les contraindre dans une certaine voie.

Le paradigme inflationnaire s'exprime aujourd'hui sous la forme de nombreuses théories concurrentes, la plupart tenant compte d'une phase primordiale chaotique et auto-reproductible. Toutes cependant considèrent que l'Univers connu une phase d'expansion exponentielle liée à un état de "faux vide" qui contenait certains champs homogènes classiques mais aucune ou quasiment pas de particules. C'est cette expansion excessivement rapide que l'on appelle l'inflation. Après cet événement l'état quasi vide se métamorphosa en vide ordinaire pour donner naissance aux particules dans une suite de fusions et de décroissances.
Pour l'homme de la rue ces concepts sont purement incompréhensibles et j'ai moi-même parfois du mal à saisir les commentaires des magazines scientifiques. Aussi une introduction à cette matière s'avère plus que nécessaire.

Deux grandes théories ont été proposées pour expliquer l'inflation de l'univers :
- Les mécanismes de Higgs d'Alan Guth
- L'inflation chaotique d'Andrei Linde

Nous allons développer les deux scénarios car à l'heure actuelle les deux modèles évoluent en parallèle et aucun physicien ne peut choisir une théorie plutôt qu'une autre.

Pourquoi l'inflation ?