Dans les premiers instants après le Big Bang, l'univers s'est étendu plusieurs milliards de fois plus vite qu'aujourd'hui. Une telle expansion rapide est probablement due à un champ de force primordial agissant avec une nouvelle particule, le gonflage. De la dernière analyse de la désintégration des mésons réalisée dans l'expérience LHCb par des physiciens de Cracovie et de Zurich, il semble, cependant, que l'inflation légère la plus probable, une particule ayant les caractéristiques du fameux boson de Higgs mais moins massive, n'existe presque certainement pas.

Juste après le Big Bang, l'univers a probablement connu une explosion extrême d'expansion. Si l'inflation s'est produite, il devrait y avoir une nouvelle force derrière cela. Ses porteurs de force sont théorisés comme des inflatons jusqu'alors inobservés, qui devrait avoir de nombreuses caractéristiques rappelant le célèbre boson de Higgs. Des physiciens de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie et de l'Université de Zurich (UZH) ont recherché des traces d'inflatons lumineux dans la désintégration des mésons B+ enregistrées par les détecteurs de l'expérience LHCb au CERN près de Genève . Analyse détaillée des données, cependant, met en doute l'existence d'inflatons légers.

Malgré ses faibles effets, la gravité influence l'apparence de l'univers aux plus grandes échelles. En conséquence, tous les modèles cosmologiques modernes sont basés sur la meilleure théorie de la gravité, La théorie de la relativité générale d'Albert Einstein. Les premiers modèles cosmologiques construits sur la relativité suggèrent que l'univers était une création dynamique. Aujourd'hui, nous savons qu'il était autrefois extrêmement dense et chaud, et il y a 13,8 milliards d'années, il a commencé une expansion rapide. La théorie de la relativité prédit le déroulement de ce processus à partir de quelques fractions de seconde après le Big Bang.

"La principale preuve de ces événements est le rayonnement de fond micro-ondes qui s'est formé quelques centaines de milliers d'années après le Big Bang. Il correspond actuellement à une température d'environ 2,7 kelvins et remplit uniformément l'univers entier. C'est cette homogénéité qui s'est avérée être un grand casse-tête, " dit le Dr Marcin Chrzaszcz (FIJ PAN), et explique, "Quand nous regardons le ciel, les fragments de l'espace profond visibles dans une direction peuvent être si éloignés de ceux visibles dans une autre direction que la lumière n'a pas encore eu le temps de passer entre eux. Ainsi, rien de ce qui s'est passé dans l'un de ces domaines ne devrait affecter l'autre. Mais où que nous regardions, la température des régions éloignées du cosmos est presque identique. Comment a-t-il pu devenir si uniforme ?"

L'uniformité du rayonnement de fond micro-ondes s'explique par le mécanisme proposé par Alan Guth en 1981. Dans son modèle, l'univers s'est initialement étendu lentement, et tous les points observés aujourd'hui ont eu le temps d'interagir et de stabiliser la température. Selon Guth, à un moment donné, cependant, il a dû y avoir une expansion très courte mais extrêmement rapide de l'espace-temps. La nouvelle force responsable de cette inflation a élargi l'univers à un point tel qu'aujourd'hui, il présente une uniformité remarquable (en ce qui concerne la température du fond cosmologique micro-onde).

« Un nouveau champ signifie toujours l'existence d'une particule qui est porteuse de l'effet. La cosmologie est ainsi devenue intéressante pour les physiciens examinant les phénomènes à l'échelle microscopique. Pendant longtemps, un bon candidat pour l'inflaton semblait être le fameux boson de Higgs. Mais en 2012, le Higgs a finalement été observé dans l'accélérateur européen LHC, et s'est avéré trop lourd. Si Higgs, avec sa masse, était responsable de l'inflation, le rayonnement relique d'aujourd'hui serait différent de ce qui est actuellement observé par le COBE, les satellites WMAP et Planck, " dit le Dr Chrzaszcz.

Les théoriciens ont proposé une solution à cette situation surprenante :l'inflaton pourrait être une toute nouvelle particule avec les propriétés de Higgs, mais avec une masse plus petite. En mécanique quantique, la nature identique des caractéristiques fait osciller les particules - elles se transforment cycliquement les unes dans les autres. Un modèle d'inflation construit de cette manière n'aurait qu'un seul paramètre décrivant la fréquence d'oscillation/transformation entre l'inflaton et le boson de Higgs.

"La masse du nouvel inflaton pourrait être suffisamment petite pour que la particule apparaisse dans la désintégration de B ⁺ mésons. Et ces mésons de beauté sont des particules enregistrées en grand nombre par l'expérience LHCb au Large Hadron Collider. Nous avons donc décidé de rechercher la désintégration des mésons se produisant par l'interaction avec l'inflaton dans les données collectées dans le LHC de 2011 à 2012, ", explique la doctorante Andrea Mauri (UZH).

Si les inflatons légers existaient réellement, le B ⁺ méson se désintègre parfois en kaon (K ⁺ méson) et une particule de Higgs, qui se transformerait en inflaton à la suite de l'oscillation. Après avoir parcouru quelques mètres dans le détecteur, l'inflaton se désintégrerait en deux particules élémentaires :les muons et les antimuons. Les détecteurs de l'expérience LHCb n'enregistreraient ni le Higgs ni l'inflaton. Chercheurs de la FIJ PAN, cependant, devrait voir l'émission de kaons et l'apparition de paires muon-antimuon respectivement.

"En fonction du paramètre décrivant la fréquence de l'oscillation inflaton-Higgs, le cours de B ⁺ la désintégration des mésons devrait être légèrement différente. Dans notre analyse, nous recherchions des décroissances allant jusqu'à 99 % des valeurs possibles de ce paramètre et nous n'avons rien trouvé. On peut donc dire avec une grande certitude que l'inflaton lumineux n'existe tout simplement pas, " dit le Dr Chrzaszcz.

Théoriquement, les inflatons de faible masse peuvent encore être cachés dans 1 pour cent des variations non examinées de l'oscillation. Ces cas seront finalement exclus par de futures analyses utilisant des données plus récentes qui sont actuellement collectées au LHC. Cependant, les physiciens doivent concilier l'idée que s'il existe des inflatons, ils sont soit plus massifs qu'on ne le croyait auparavant, ou ils se produisent dans plus d'une variation.