Les physiciens capitalisent sur une connexion directe entre les plus grandes structures cosmiques et les plus petits objets connus pour utiliser l'univers comme un « collisionneur cosmologique » et étudier une nouvelle physique.

La carte tridimensionnelle des galaxies à travers le cosmos et le rayonnement résiduel du Big Bang - appelé fond diffus cosmologique (CMB) - sont les plus grandes structures de l'univers que les astrophysiciens observent à l'aide de télescopes. Particules élémentaires subatomiques, d'autre part, sont les plus petits objets connus de l'univers que les physiciens des particules étudient à l'aide de collisionneurs de particules.

Une équipe comprenant Xingang Chen du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), Yi Wang de l'Université des sciences et technologies de Hong Kong (HKUST) et Zhong-Zhi Xianyu du Center for Mathematical Sciences and Applications de l'Université Harvard ont utilisé ces extrêmes de taille pour sonder la physique fondamentale de manière innovante. Ils ont montré comment les propriétés des particules élémentaires dans le modèle standard de la physique des particules peuvent être déduites en étudiant les plus grandes structures cosmiques. Cette connexion est établie par un processus appelé inflation cosmique.

L'inflation cosmique est le scénario théorique le plus largement accepté pour expliquer ce qui a précédé le Big Bang. Cette théorie prédit que la taille de l'univers s'est étendue à une vitesse extraordinaire et accélérée dans la première fraction de seconde fugace après la création de l'univers. Ce fut un événement très énergique, au cours de laquelle toutes les particules de l'univers ont été créées et ont interagi les unes avec les autres. Ceci est similaire à l'environnement que les physiciens essaient de créer dans les collisionneurs au sol, à l'exception que son énergie peut être 10 milliards de fois plus grande que n'importe quel collisionneur que les humains peuvent construire.

L'inflation a été suivie par le Big Bang, où le cosmos a continué à s'étendre pendant plus de 13 milliards d'années, mais le taux d'expansion a ralenti avec le temps. Les structures microscopiques créées lors de ces événements énergétiques se sont étendues à travers l'univers, résultant en des régions légèrement plus denses ou moins denses que les zones environnantes dans l'univers primitif par ailleurs très homogène. Au fur et à mesure de l'évolution de l'univers, les régions plus denses attiraient de plus en plus de matière en raison de la gravité. Finalement, les structures microscopiques initiales ont semé la structure à grande échelle de notre univers, et déterminé l'emplacement des galaxies dans tout le cosmos.

Dans les collisionneurs au sol, les physiciens et les ingénieurs construisent des instruments pour lire les résultats des événements de collision. La question est alors de savoir comment lire les résultats du collisionneur cosmologique.

"Il y a plusieurs années, Yi Wang et moi, Nima Arkani-Hamed et Juan Maldacena de l'Institute of Advanced Study, et plusieurs autres groupes, découvert que les résultats de ce collisionneur cosmologique sont encodés dans les statistiques des structures microscopiques initiales. Tandis que le temps passe, ils s'impriment dans les statistiques de la distribution spatiale du contenu de l'univers, comme les galaxies et le fond diffus cosmologique, que nous observons aujourd'hui, ", a déclaré Xingang Chen. "En étudiant les propriétés de ces statistiques, nous pouvons en apprendre davantage sur les propriétés des particules élémentaires."

Comme dans les collisionneurs au sol, avant que les scientifiques explorent une nouvelle physique, il est crucial de comprendre le comportement des particules fondamentales connues dans ce collisionneur cosmologique, tel que décrit par le modèle standard de la physique des particules.

"Le nombre relatif de particules fondamentales qui ont des masses différentes - ce que nous appelons le spectre de masse - dans le modèle standard a un modèle spécial, qui peut être considérée comme l'empreinte du modèle standard, " expliqua Zhong-Zhi Xiangyu. " Cependant, cette empreinte change au fur et à mesure que l'environnement change, et aurait été très différent au moment de l'inflation de ce qu'il est aujourd'hui."

L'équipe a montré à quoi ressemblerait le spectre de masse du modèle standard pour différents modèles d'inflation. Ils ont également montré comment ce spectre de masse est imprimé dans l'apparition de la structure à grande échelle de notre univers. Cette étude ouvre la voie à la découverte future d'une nouvelle physique.

"Les observations en cours du CMB et de la structure à grande échelle ont atteint une précision impressionnante à partir de laquelle des informations précieuses sur les structures microscopiques initiales peuvent être extraites, " dit Yi Wang. " Dans ce collisionneur cosmologique, tout signal d'observation qui s'écarte de celui attendu pour les particules dans le modèle standard serait alors le signe d'une nouvelle physique."

La recherche actuelle n'est qu'un petit pas vers une ère passionnante où la cosmologie de précision montrera toute sa puissance.

« Si nous avons la chance d'observer ces empreintes, nous serions non seulement capables d'étudier la physique des particules et les principes fondamentaux dans l'univers primitif, mais aussi mieux comprendre l'inflation cosmique elle-même. À cet égard, il y a encore tout un univers de mystères à explorer, " dit Xianyu.

Cette recherche est détaillée dans un article publié dans la revue Lettres d'examen physique le 29 juin, 2017, et la préimpression est disponible en ligne.