Le Big Bang est une hypothèse scientifique qui décrit l’origine de l’univers, marquant le début de son expansion il y a environ 13,8 milliards d’années. Selon cette hypothèse, l’univers a commencé comme un point extrêmement chaud et dense de matière, lequel a ensuite explosé et s’est répandu. Il s’agit dans ce cas de matière ordinaire telle que nous la connaissons aujourd’hui. Mais dans une hypothèse plus récente, à cette matière ordinaire s’ajoutait une matière dite noire.
Celle-ci serait une forme supposée de matière qui n’émet pas et n’absorbe de lumière, ce qui la rend invisible. Elle ne serait détectable que du fait de son influence gravitationnelle sur la matière visible. Elle constituerait environ 27% de la masse-énergie de l’univers et aurait “explosé” en même temps que le reste de la matière durant le Big Bang. Du fait de sa masse et de l’effet gravitationnel de cette masse, elle jouerait un rôle essentiel dans les structures cosmiques en influençant la formation et le mouvement des galaxies.
Rappelons que proposée par le physicien Alan Guth en 1981, la théorie de l’inflation cosmique suggère que l’univers a connu une expansion rapide, augmentant sa taille de 10 puissance 26 fois en seulement 10 puissance -36 secondes. Ce phénomène a joué un rôle crucial en éliminant les irrégularités de la structure de l’univers, ce qui explique son apparence uniforme et homogène malgré son expansion continue.
Une nouvelle étude dont on trouvera ci-dessous les références et l’abstract avance l’hypothèse que l’inflation a également contribué à la formation de la matière noire à travers un processus appelé “freeze-in”. Contrairement aux modèles existants où les particules créées durant l’inflation se seraient rapidement dispersées, les chercheurs affirment que la matière noire a été produite et préservée durant cette phase.
Ils distinguent deux processus possibles pour la formation de la matière noire à partir du “bain thermique”, qui regroupe les particules interagissant à haute température durant la formation de l’univers.
Le premier, le “freeze-out”, suggère que la matière noire était en équilibre thermique avec la matière ordinaire, se figeant à mesure que l’univers refroidissait. C’est la vision traditionnellement partagée par les physiciens mais qui a été écartée par les auteurs de l’étude.
L’autre scénario, le “freeze-in”, propose que la matière noire n’a jamais été en équilibre thermique. Elle serait le résultat d’interactions énergétiques rares telles que comme celles impliquant le rayonnement UV
NB Le rayonnement ultraviolet est un rayonnement invisible qui émet dans la gamme de longueur d’onde de 100 à 400 nanomètres (nm). Un nanomètre représente un milliardième de mètre. Il a une longueur d’onde plus courte que la lumière visible et contient plus d’énergie.
Pendant l’inflation, le champ quantique responsable de l’inflation aurait perdu de l’énergie au profit de ce rayonnement UV, engendrant ainsi des particules de matière noire qui se sont ensuite “figées” dans l’univers en refroidissement.
NB Rappelons qu’en physique, on parle régulièrement de champs : champ magnétique, champ électrique, champ gravitationnel… Plus généralement, on peut même parler des « champs quantique », qui sont utilisés en physique quantique pour décrire le monde.
Ce qui distingue le modèle proposé par les auteurs de l’étude ci-dessous est que ces interactions se seraient produites avant le Big Bang, lors de l’expansion exponentielle de l’univers due à l’inflation. Cette perspective inverse l’idée traditionnelle selon laquelle l’inflation et le freeze-in se sont produits après le Big Bang.
Elle offre une nouvelle fenêtre sur les premiers instants de notre univers et souligne le rôle potentiel de la matière noire dans l’évolution cosmique précoce. Elle propose également des perspectives pour des recherches futures, concernant notamment la production d’autres particules qui auraient pu jouer un rôle crucial durant l’évolution de l’univers.
Référence
Dark Matter Production during Warm Inflation via Freeze-In
Katherine Freese1,2,3,*, Gabriele Montefalcone1,†, and Barmak Shams Es Haghi1,‡
- Phys. Rev. Lett. 133, 211001 – Published 18 November, 2024
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.211001
Abstract
We present a novel perspective on the role of inflation in the production of dark matter (DM). Specifically, we explore the DM production during warm inflation via ultraviolet freeze-in (WIFI). We demonstrate that in a warm inflation (WI) setting the persistent thermal bath, sustained by the dissipative interactions with the inflaton field, can source a sizable DM abundance via the nonrenormalizable interactions that connect the DM with the bath. Compared to the (conventional) radiation-dominated (RD) UV freeze-in scenario for the same reheat temperature (after inflation), the resulting DM yield in WIFI is always enhanced showing a strongly positive dependence on the mass dimension of the nonrenormalizable operator. Of particular interest, for a sufficiently large mass dimension of the operator, the entirety of the DM abundance of the Universe can be created during the inflationary phase. For the specific models we study, we find that the enhancement in DM yield, relative to RD UV freeze-in, is at least an order of magnitude for an operator of mass dimension 5, and as large as 18 orders of magnitude for an operator of mass dimension 10. Our findings also suggest a broader applicability for producing other cosmological relics, which may have a substantial impact on the evolution of the early Universe.
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