Un modèle cosmologique propose une production de matière noire pendant l’inflation pré-Big Bang

Alors que les physiciens continuent leur lutte pour trouver et expliquer l’origine de la matière noire, soit environ 80 % de la matière dans l’univers que nous ne pouvons pas voir et que nous n’avons pas pu détecter jusqu’à présent, les chercheurs ont maintenant proposé un modèle dans lequel elle est produit avant le Big Bang.

Leur idée est que la matière noire serait produite au cours d’une phase inflationniste infiniment courte, au cours de laquelle la taille de l’univers connaîtrait une expansion exponentielle rapide. Le nouveau modèle était publié dans Lettres d’examen physique par trois scientifiques du Texas aux États-Unis.

Une idée intrigante parmi les cosmologistes est que la matière noire a été produite par son interaction avec un bain thermal de certaines espèces, et que son abondance est créée par « gel » ou « gel ». Dans le scénario de gel, la matière noire est en équilibre chimique avec le bain dès les premiers instants : la concentration de chacun ne change pas avec le temps.

Dans l’image figée, la matière noire n’arrive jamais en équilibre avec le bain. Une telle interaction supprimée entre la matière noire et le bain thermal pourrait être due à des interactions dans les théories quantiques des champs, soit par gel infrarouge, soit par gel ultraviolet.

En gel UV, la température du bain thermal est toujours inférieure aux masses des particules qui relient la matière noire au Modèle Standard de la physique des particules. (La masse et la température sont toutes deux proportionnelles à l’énergie et peuvent être liées via des constantes fondamentales.)

La théorie de l’inflation a été développée il y a environ 45 ans maintenant, proposant une période d’expansion exponentiellement rapide dans le tout premier univers, où l’univers s’est agrandi d’un facteur d’environ 1 026 en 10 à 36 secondes. (Après la fin de l’inflation, l’univers a continué à s’étendre, mais pas de manière exponentielle.)

Des milliards d’années plus tard, l’énergie noire a déclenché l’accélération que nous observons aujourd’hui.) L’idée de l’inflation est bien rangée. explique de nombreuses énigmes en cosmologie, telles que le problème de la planéité, le problème de l’homogénéité et le problème du monopole, et il explique l’origine de la structure de l’univers par des fluctuations quantiques extrêmement amplifiées.

Bien que l’inflation soit généralement acceptée par les cosmologistes comme faisant partie du tableau du Big Bang, sur la base de certains preuve (bien qu’il existe une dissidence significative), le moteur de l’inflation est encore inconnu.

Les cosmologues l’appellent de manière générique l’inflaton, un champ hypothétique qui s’étend sur tout l’espace-temps d’une particule scalaire (spin zéro), peut-être le champ de Higgs. (Peut-être pas.) L’inflation se produit si rapidement que l’univers se trouve dans une expansion en surfusion, où la température chute d’un facteur d’environ 100 000.

Cette basse température persiste pendant la phase inflationniste. Lorsque l’inflation se termine, la température revient à la température pré-inflationniste, un processus appelé réchauffage, et le champ d’inflation se désintègre en particules du modèle standard, y compris les photons.

Recherche a montré que le bain peut atteindre des températures beaucoup plus élevées que la température de réchauffage, et pour la congélation ultraviolette, la quantité de matière noire produite dépend de la température la plus élevée du bain thermique.

Mais jusqu’à présent, les recherches n’ont pas envisagé la possibilité qu’une quantité significative de matière noire puisse être produite pendant l’expansion inflationniste et ne pas être diluée.

Dans le modèle WIFI de l’article – Inflation chaude via gel ultraviolet – la matière noire est créée par de petites et rares interactions avec des particules dans un environnement chaud et énergétique. Il contient un nouveau mécanisme dans lequel cette production se produit juste avant le Big Bang, pendant l’inflation cosmique, conduisant à la formation de matière noire beaucoup plus tôt que dans les théories existantes via le gel.

Bien que cela semble inhabituel, de nombreux cosmologistes pensent désormais que l’inflation s’est produite avant le Big Bang, car l’existence d’une singularité du Big Bang avec une densité infinie et une courbure spatio-temporelle infinie semble irréaliste.

Au lieu de cela, l’univers aurait une petite taille après l’inflation, environ 10 à 26 mètres de diamètre, et à partir de là, les étapes standard de production de rayonnement et de particules se produiraient, puis la nucléosynthèse aurait lieu pour peupler l’univers.

Les théoriciens ont proposé une perspective différente sur le rôle de l’inflation par rapport au rôle de la matière noire via un gel.

« Ce qui est unique à notre modèle, c’est que la matière noire est produite avec succès pendant l’inflation », a déclaré Katherine Freese, directrice de l’Institut Weinberg de physique théorique et du Texas Center for Cosmology and Astroparticle Physics à l’Université du Texas à Austin et auteur principal. du papier. « Dans la plupart [other] modèles, tout ce qui est créé pendant l’inflation est ensuite « gonflé » par l’expansion exponentielle de l’univers, au point qu’il ne reste pratiquement plus rien. »

Dans ce nouveau mécanisme, toute la matière noire que nous observons aujourd’hui aurait pu être créée au cours de cette brève période d’inflation précédant le Big Bang. Le champ quantique qui entraîne l’inflation, l’inflaton, perd une partie de son énergie au profit du rayonnement, et ce rayonnement, à son tour, produit des particules de matière noire via le mécanisme de gel. Qu’était-ce qu’il y avait avant l’inflation ? Les physiciens n’en ont aucune idée.

Le modèle WIFI ne peut pas encore être confirmé par des observations. Mais un élément clé du scénario, l’inflation chaude, sera testé au cours de la prochaine décennie par ce que l’on appelle les expériences sur le fond cosmique des micro-ondes. Confirmer une inflation chaude serait une étape importante pour le scénario de production de matière noire du modèle WIFI.

« Dans notre étude, nous nous sommes concentrés sur la production de matière noire, mais le WIFI suggère une applicabilité plus large », a déclaré Barmak Shams Es Haghi, co-auteur de l’article avec Gabriele Montefalcone, « comme la production d’autres particules qui pourraient jouent un rôle crucial dans l’évolution de l’univers primitif. Cela met en évidence de nouvelles opportunités d’exploration dans les recherches futures.

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