Quelle est la relation entre la physique des particules et la cosmologie?
Il existe une relation intime entre les domaines de la physique des particules et de la cosmologie, illustrée par une longue lignée de physiciens travaillant simultanément dans ces deux domaines: Albert Einstein, Stephen Hawking, Kip Thorne et bien d'autres. La cosmologie est l'étude de l'univers et de sa structure, alors que la physique des particules est l'étude des particules fondamentales telles que les quarks et les photons, les plus petits objets connus. Bien qu’ils puissent sembler aussi inextricablement liés que d’abord, la cosmologie et la physique des particules sont en réalité étroitement liées.
Contrairement aux systèmes complexes sur Terre, qui sont souvent décrits à l'aide d'explications de niveau supérieur plutôt que de propriétés émergeant des niveaux les plus bas, les phénomènes intergalactiques et cosmologiques sont comparativement plus simples. Par exemple, dans les vastes étendues de l’espace, une seule des quatre forces de la nature a une influence réelle: la gravité. Bien que les étoiles et les galaxies soient très éloignées et bien plus grandes que la nôtre, nous disposons d’une image extrêmement précise de la façon dont elles fonctionnent, qui repose sur des lois physiques fondamentales qui dirigent leurs particules constitutives.
Le domaine de la cosmologie le plus étroitement lié à la physique des particules est l’étude du Big Bang, la gigantesque explosion qui a créé toute la matière de l’univers et l’espace-temps qui le compose. Le Big Bang a commencé comme un point de densité quasi infinie et de volume nul: une singularité. Ensuite, il a rapidement pris la taille d’un noyau atomique, c’est là que la physique des particules entre en jeu. Pour comprendre comment les premiers moments du Big Bang ont influencé l'univers tel qu'il est aujourd'hui, nous devons utiliser ce que nous savons de la physique des particules pour créer des modèles cosmologiques plausibles.
L’une des motivations de la création d’accélérateurs de particules de plus en plus puissants est la réalisation d’expériences simulant les conditions physiques le plus tôt possible dans l’histoire de l’univers, lorsque tout était très compact et très chaud. Les cosmologistes doivent bien connaître la physique des particules pour pouvoir apporter une contribution significative au domaine.
Une autre clé pour comprendre la relation entre la physique des particules et la cosmologie consiste à examiner l’étude des trous noirs. Les propriétés physiques des trous noirs sont pertinentes pour l'avenir à long terme du cosmos. Les trous noirs sont des étoiles effondrées d'une gravité telle que même la lumière ne peut leur échapper. Pendant un certain temps, on a pensé que les trous noirs n'émettaient aucun rayonnement et auraient été éternels, un paradoxe pour les physiciens. Mais Stephen Hawking a théorisé, en se basant sur des connaissances issues de la physique des particules, que les trous noirs émettaient effectivement un rayonnement, que l’on a par la suite surnommé le rayonnement de Hawking.
La physique des particules joue également un rôle important dans les recherches sur la matière noire, une matière invisible dont l’existence est connue en raison de son influence gravitationnelle sur la matière visible, et sur l’énergie noire, une force mystérieuse qui imprègne l’univers et accélère son expansion. Ce sont des questions centrales dans la cosmologie moderne.