lundi 23 octobre 2017

L'inflation cosmique et le nombre de dimensions de l'espace expliquées par des noeuds quantiques


Voilà un travail théorique comme on les aime : potentiellement considérable pour notre compréhension de l'Univers. Il permet à la fois de donner une origine à la phase d'inflation de l'Univers et explique pourquoi notre Univers possède 3 dimensions spatiales, le tout sans faire intervenir de physique trop exotique...




Cinq théoriciens européens ont travaillé ensemble pour réfléchir aux premiers instants de l'Univers, cette époque très chaude et très dense qui était peuplée d'un plasma fait de quarks et de gluons, avant la formation des particules baryoniques. Arjun Berera (Université d'Edinburgh), Roman Buniy (Chapman University), Heinrich Päs (Université de Dortmund, João Rosa (Université de Aveiro) et Thomas Kephart (Université Vanderbilt) ont développé une idée fondée sur les relations existant entre quarks issues du modèle classique de chromodynamique quantique, mais amenées aux très hautes énergies qui étaient celles du Big Bang.
Les quarks se comportent de manière assez singulière : ils ne peuvent exister seuls, il leur faut toujours un partenaire antiquark avec lequel ils sont très fortement liés par des gluons. Lorsqu'un couple quark-antiquark se retrouve malgré tout séparé, il se forme ce qu'on appelle un "tube de flux" entre eux, composé de nouveaux quarks et gluons virtuels. Lorsque le couple quark/antiquark lié est séparé par une très puissante force extérieure, le tube de flux qui les relie peut s'étendre spatialement, jusqu'à atteindre un point où il se brise. Lors de cette brisure du tube de flux, le modèle standard de la chromodynamique quantique (la QCD) dit qu'il libère suffisamment d'énergie pour former une nouvelle paire quark/antiquark bien réelle, qui va alors se lier avec chacun des deux quarks esseulés pour former au final deux paires de quarks/antiquarks. 

Les cinq physiciens théoriciens ont réfléchi depuis maintenant 5 ans à ce que pouvait devenir ce processus bien connu du tube de flux des quarks, dans les conditions de l'Univers primordial. Ils ont commencé à travailler sur ce problème lorsqu'ils se sont rencontrés au cours d'un groupe de travail à l'institut Newton à Cambridge en 2012. Ils imaginaient alors que le phénomène aurait pu jouer un rôle clé dans la formation de l'Univers. Ce qu'ils ont découvert va au-delà de leurs attentes.
Berera, Buniy, Päs, Rosa et Kephart ont réalisé que la version à très haute énergie du plasma de quark/gluons était un environnement idéal pour la formation de multitudes de tubes de flux. Normalement, les tubes de flux finissent par disparaître quand deux particules entrent en contact et s'annihilent, mais il existe des exceptions. Ce que montrent nos cinq théoriciens, c'est que si un tube de flux prend la forme d'un noeud, il devient stable et il peut "survivre" même après disparition des particules qui lui ont donné naissance.  C'est le point crucial de cette découverte théorique.
Et des tubes de flux stables sont également créés lorsque deux tubes de flux (ou plus) se retrouvent reliés. L'exemple le plus simple est celui du noeud de Hopf produit par deux cercles entrelacés. 
Les auteurs montrent alors que, de cette façon, l'Univers entier (qui n'était pas encore très grand), devait être rempli d'un réseau serré de tubes de flux entrelacés de manière à minimiser leur énergie. Mais ils ont ensuite calculé combien d'énergie un tel réseau devait contenir. Ils ont eu l'heureuse surprise de constater qu'il y avait assez d'énergie pour produire la phase d'inflation cosmique de l'Univers primordial, le réseau de tubes de flux agissant comme une énergie du vide (ou une constante cosmologique).

L'idée de l'inflation est apparue au tout début des années 1980, l'Univers jeune aurait brutalement grossi, de la taille d'un proton à celle d'un grain de raisin en l'espace de milliardièmes de milliardièmes de secondes. 
Cette période d'expansion exponentielle permet de résoudre deux problèmes importants en cosmologie : elle explique pourquoi l'Univers est plat et si homogène à grande échelle. Mais l'inflation a toujours eu du mal à s'imposer, d'une part par sa complexité théorique mais aussi et surtout car la théorie n'explique pas bien quelle est la source d'énergie qui a pu en être à l'origine.

Et le réseau de tubes de flux de Berera, Buniy, Päs, Rosa et Kephart, non seulement fournit la source d'énergie de la phase inflationnaire, mais en plus, explique pourquoi cette inflation s'est arrêtée aussi brutalement, ce qui n'avait encore jamais été vraiment expliqué jusqu'à aujourd'hui. Les chercheurs expliquent que lorsque l'Univers s'est fortement étendu, le réseau de tubes de flux a fini par se briser à son tour, en remplissant l'Univers de nouvelles particules et de rayonnement, éliminant de fait la source d'énergie qui générait l'expansion inflationnaire.

Mais la caractéristique peut-être la plus élégante de cette nouvelle théorie est qu'elle fournit une explication naturelle au fait que nous vivons dans un espace à trois dimensions! C'est une question qui est rarement posée, mais qui devrait l'être plus souvent. Pourquoi notre espace ne possède-t-il pas plus de trois dimensions après tout ? Certaines théories comme la théorie des cordes prédisent qu'il existerait jusqu'à 10 dimensions d'espace mais que sept d'entre elles seraient toutes petites voire repliées sur elles-mêmes.
C'est Heinrich Päs qui a trouvé le lien entre dimensions et noeuds de tubes de flux. Les noeuds ne peuvent se former qu'en 3 dimensions. Si on ajoute une dimension spatiale supplémentaire, les noeuds "se défont", tout simplement, les noeuds d'"objets" comme les tubes de flux ne sont stables topologiquement qu'à 3 dimensions, ce qui a été démontré par des mathématiciens spécialisés dans le domaine de la topologie. Pour cette raison, ces tubes de flux des quarks, noués ou reliés entre eux, ne peuvent pas se former dans un espace à plus de trois dimensions. Si l'idée du réseau de tubes de flux à l'origine de l'inflation est correcte, cela implique donc directement que l'inflation n'a pu avoir lieu qu'en trois dimensions spatiales. Si d'autres dimensions existent, elles devraient forcément avoir une taille infinitésimale.

Après avoir présenté leurs premiers résultats, Berera, Buniy, Päs, Rosa et Kephart annoncent qu'ils vont s'atteler à produire une modélisation détaillée des propriétés et de la dynamique du réseau de tubes de flux, dans le but de pouvoir faire des prédictions de phénomènes pouvant être observés et/ou testés.


Source
Knotty inflation and the dimensionality of spacetime
A. Berera, R. Buniy, T. Kephart, H. Päs, J. Rosa
European Physical Journal C (14 octobre 2017) 77: 682.


Illustrations
1) Vue d'artiste figurant un réseau de noeuds formant le "vide" quantique (Keith Wood / Vanderbilt))
2) Simulation numérique montrant le type de réseau serré de tubes de flux que les physiciens proposent pour l'Univers très jeune (Roman Buniy / Chapman University)
3) Visualisation schématisée d'un tube de flux entre un quark et un antiquark (D. Leinweber)

2 commentaires :

Nicolas Richard a dit…

Bonjour et merci pour vos articles toujours très intéressants. Est-ce cette théorie expliquerait pourquoi l’univers est toujours en expension accélérée ou est-ce qu’elle explique que la phase d’inflation initiale ?

Dr Eric SIMON a dit…

Ça ne concerne que la phase inflationnaire initiale... (malheureusement)