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Monopôles et domaines

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

  
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Si la théorie de Linde résout le problème de la paroi des bulles, des "domain walls", la théorie de Guth explique aussi la formation des hypothétiques monopôles magnétiques de Dirac8.

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. 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 de Higgs 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, quelque 1016 fois la masse du proton, presque la masse d'un grain de sable mais de taille atomique ! Suite à l'inflation, les parois de ces domaines seraient éloignés d'un multiple de 1050 fois le rayon de 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 1016 protons, 1 seul monopôle suffirait9.

En 1982, le physicien Blas Cabrera10 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 ? Quoi qu'il en soit, leur existence est une nécessité pour valider l'inflation chaotique et l'évolution des champs de Higgs.

La formation des galaxies

La théorie de l'inflation chaotique s'accorde également sur 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 résoud 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 champs de Higgs pendant la phase de transition avaient régénérées des inhomogénéités qui s'étendirent jusqu'à l'échelle astronomique en raison de l'inflation. Mais Linde imagine 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 non 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 premières galaxies et que le satellite COBE a detecté quelque 300000 ans avec le Big Bang.