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Cosmological model proposes dark matter production during pre-Big Bang inflation
Un modèle cosmologique propose une production de matière noire pendant l'inflation pré-Big Bang
par David Appell , Phys.org
Crédit : Geralt sur Pixabay.
Alors que les physiciens continuent de lutter pour trouver et expliquer l'origine de la matière noire, les quelque 80 % de la matière de l'univers que nous ne pouvons pas voir et que nous n'avons pas encore pu détecter, les chercheurs ont maintenant proposé un modèle où elle est produite avant le Big Bang.
Leur idée est que la matière noire serait produite pendant une phase inflationniste infinitésimale lorsque la taille de l'univers s'est rapidement étendue de manière exponentielle. Le nouveau modèle a été publié dans Physical Review Letters 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 « congélation » ou « gel ». Dans le scénario de congélation, la matière noire est en équilibre chimique avec le bain aux premiers instants - la concentration de chacun ne change pas avec le temps.
Dans l'image de la congélation, la matière noire n'entre jamais en équilibre avec le bain. Une telle interaction supprimée entre la matière noire et le bain thermique pourrait être due à des interactions dans les théories quantiques des champs, soit la congélation infrarouge, soit la congélation ultraviolette.
Dans la congélation UV, la température du bain thermique 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, proposant une période d'expansion exponentiellement rapide dans l'univers très primitif où l'univers s'est étendu d'un facteur d'environ 1026 en 10-36 secondes. (Après que l'inflation ait cessé, l'univers a continué à s'étendre, mais pas de manière exponentielle.)
Des milliards d'années plus tard, l'énergie noire a commencé l'accélération que nous observons aujourd'hui.) L'idée d'inflation explique de manière claire de nombreuses énigmes de la cosmologie, telles que le problème de la planéité, le problème de l'homogénéité et le problème du monopole, et elle explique l'origine de la structure de l'univers comme des fluctuations quantiques qui ont été énormément amplifiées.
Bien que l'inflation soit généralement acceptée par les cosmologistes comme faisant partie de l'image du Big Bang sur la base de certaines preuves (bien qu'il existe une dissension significative), le moteur de l'inflation est toujours inconnu.
Les cosmologistes l'appellent génériquement l'inflaton, un champ hypothétique qui
L'inflation 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 est en 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 réchauffement, et le champ d'inflaton se désintègre en particules du modèle standard, y compris les photons.
Les recherches ont montré que le bain peut atteindre des températures beaucoup plus élevées que la température de réchauffement, et pour la congélation ultraviolette, la quantité de matière noire produite dépend de la température la plus élevée du bain thermal.
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Mais jusqu'à présent, les recherches n'ont pas envisagé la possibilité qu'une quantité importante de matière noire puisse être produite pendant l'expansion inflationniste et ne pas être diluée.
Dans le modèle WIFI de l'article (Warm Inflation via ultraviolet Freeze-In), 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 où cette production se produit juste avant le Big Bang, pendant l'inflation cosmique, ce qui conduit à la formation de matière noire bien plus tôt que dans les théories existantes via le gel.
Bien que cela semble inhabituel, de nombreux cosmologistes pensent maintenant 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 infinie de l'espace-temps semble irréaliste.
Au lieu de cela, l'univers aurait une petite taille après l'inflation, d'environ 10 à 26 mètres de diamètre, et à partir de là, les étapes standard de rayonnement et de production 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 dans le rôle de la matière noire via un gel.
« Ce qui est unique dans 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 Centre texan de cosmologie et de physique des astroparticules à l'Université du Texas à Austin et auteur principal de l'étude. « Dans la plupart des [autres] 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 pourrait avoir été créée pendant cette brève période d'inflation, avant le Big Bang. Le champ quantique qui entraîne l'inflation, l'inflaton, perd une partie de son énergie sous forme de rayonnement, et ce rayonnement, à son tour, produit des particules de matière noire via le mécanisme de gel. Qu'y avait-il 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 les expériences dites de fond diffus cosmologique. Confirmer l'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 jouer un rôle crucial dans l'évolution de l'univers primitif. Cela met en évidence de nouvelles opportunités d'exploration dans le domaine de la matière noire.
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COMMENTAIRE
Pas grad chose de trés neuf dans cet article où
les chercheurs proposént un modèle dans lequel elle serait produite en quelque sorte avant le Big Ban
XXXXXXXXXMore information: Katherine Freese et al, Dark Matter Production during Warm Inflation via Freeze-In, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.211001
Journal information: Physical Review Letters
© 2024 Science X Network
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