Lucas Pinol, post-doctorant dans l’équipe GRACES du LPENS, Denis Werth, et Sébastien Renaux-Petel ont remporté le deuxième Prix Buchalter de Cosmologie 2023 pour leurs travaux en cosmologie et le développement d’un cadre théorique pour étudier la physique de l’Univers primordial. C’est la première fois qu’une équipe française est récompensée par ce prix. Le jury a reconnu que la méthode novatrice qu’ils ont développée permet de déterminer les conséquences observationnelles de toute théorie de l’univers primordial. Elle introduit ainsi un cadre théorique unique pour interpréter sans biais les données des futurs relevés cosmologiques, c’est-à-dire de la répartition de la matière à grande échelle dans l’Univers, et pour tester les théories de l’inflation.

Flot cosmologique des corrélateurs primordiaux

Dans leur travail primé, les auteurs ont démontré l’efficacité d’une nouvelle méthode pour prédire les propriétés des fluctuations de densité primordiales. Ces inhomogénéités ont été créées pendant une phase d’expansion accélérée de l’Univers appelée l’inflation cosmologique, et elles fournissent les germes qui se sont effondrées pour former les galaxies et l’Univers tel que nous le connaissons. Leur connaissance ne peut être que statistique, et elle est contenue dans ce qu’on appelle les « corrélateurs cosmologiques ». Ces-derniers décrivent la structure des inhomogénéités dans l’Univers, et elles sont les propriétés clés qui relient les théories de l’Univers primordial et les observations cosmologiques. A priori, ils peuvent être calculés pour toute théorie à partir des principes premiers de la physique, mais en pratique, plusieurs difficultés ont toujours empêché cela, créant un biais entre les théories et les prédictions théoriques. Les auteurs ont été les pionniers du développement du « flot cosmologique », un cadre conceptuel et technique qui résout ces problèmes et permet le calcul systématique des corrélateurs cosmologiques. Cette méthode suit leur évolution temporelle depuis leur origine sous la forme de fluctuations quantiques du vide jusqu’à la fin de l’inflation, offrant une compréhension approfondie des processus physiques en jeu pendant cette phase de l’univers primordial.

Cette avancée permet à la communauté scientifique d’explorer de nouveaux processus en physique des hautes énergies, c’est-à-dire à des énergies bien supérieures à celles atteignables dans des expériences terrestres (par exemple dans le Grand Collisionneur de Hadrons). Pendant la phase d’inflation, des particules extrêmement massives ont été produites et leur désintégration ultérieure en particules plus légères a laissé des empreintes dans la répartition des inhomogénéités primordiales. Ainsi, les corrélateurs cosmologiques détiennent la clé d’un régime physique complètement inexploré, car ils permettent la détection de nouvelles particules, et la caractérisation de leurs propriétés et de leurs interactions. Toute cette information nous aiderait à établir un “modèle standard de l’inflation cosmologique”. De manière similaire à ce que les algorithmes de calculs ont amené à la physique des particules, la méthode du flot cosmologique permet de déduire sans peine les signatures observationnelles de théories d’inflation complexes, comme l’a montré l’équipe dans un article compagnon de l’article primé. De nombreuses données sont attendues des grands relevés cosmologiques comme le télescope spatial Euclid ou encore le télescope au sol Vera Rubin. Dans ce contexte, le flot cosmologique permet de générer les données théoriques assurant l’interprétation sans biais de ces observations. Pour progresser plus rapidement dans cette direction, en plus de la publication du formalisme de la méthode du flot cosmologique, les auteurs de l’étude ont rendu leur code public.

Le Prix Buchalter de Cosmologie est une récompense annuelle visant à stimuler des travaux théoriques, observationnels ou expérimentaux novateurs en cosmologie ayant le potentiel de produire des percées scientifiques quant à notre compréhension de l’origine, de la structure et de l’évolution de l’univers. Il a été créé pour susciter le développement de nouvelles théories, observations ou méthodes susceptibles d’éclairer le mystère de l’expansion cosmique à partir des premiers principes physiques. Annoncé lors de la réunion annuelle de la Société Américaine d’Astronomie, le deuxième prix reçu par l’équipe est doté de 5 000 dollars américains.

Lucas Pinol est chercheur post-doctoral au LPENS, ancien doctorant à l’IAP, Denis Werth est doctorant à l’Institut d’Astrophysique de Paris (IAP, CNRS et Sorbonne Université) et Sébastien Renaux-Petel est chargé de recherche du CNRS à l’Institut d’Astrophysique de Paris, professeur chargé de cours à l’École polytechnique, PI du projet ERC GEODESI au sein duquel le travail récompensé est né.

Illustration du flot cosmologique : Depuis les fluctuations quantiques initiales, les corrélateurs cosmologiques évoluent au cours du temps (représenté par la flèche noire) jusqu’à la fin de l’inflation, pour ensuite structurer la distribution de matière dans notre Univers. Les traces laissées dans le ciel par ces corrélateurs offrent la possibilité de sonder de nouvelles théories physiques encore non explorées que la prochaine génération de relevés cosmologiques pourrait décoder.

En savoir plus :
– Article primé (en anglais) : Werth, Pinol, Renaux-Petel 2023, « Cosmological flow of primordial correlators », http://arxiv.org/abs/2302.00655
– Article compagnon (en anglais) : Pinol, Renaux-Petel, Werth 2023, « The Cosmological Flow: A Systematic Approach to Primordial Correlators », http://arxiv.org/abs/2312.06559
– Prix Buchalter de Cosmologie : http://www.buchaltercosmologyprize.org/

Affiliation des auteurs :
Laboratoire de physique de L’École normale supérieure (LPENS, ENS Paris/CNRS/Sorbonne Université/Université de Paris)


Auteur correspondant : Lucas Pinol
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