Une empreinte à cinq dimensions dans la lumière fossile ✛
Le rayonnement fossile n'est pas qu'une faible lueur à 2,7 K. C'est une photographie de l'Univers 380 000 ans après le Big Bang, lorsque le plasma primordial est enfin devenu transparent à la lumière. Mais pour les physiciens théoriciens, ce qui s'est passé encore plus tôt est bien plus intéressant. À l'époque de l'inflation, l'échelle d'énergie a grimpé à des sommets inimaginables, et les fluctuations quantiques du vide ont engendré des particules, comme une vague déferlante rejette des coquillages sur la plage. C'est cette époque tumultueuse, prédite par les travaux de Georges Lemaître et Edwin Hubble, que l'on tente aujourd'hui d'observer à travers les empreintes laissées dans le ciel micro-onde.
Si notre monde contient des dimensions spatiales cachées — comme l'exigent de nombreuses extensions du modèle standard — alors, dans le « chaudron » inflationnaire, naissaient non seulement des particules ordinaires, mais aussi des invités exotiques : les gravitons massifs de Kaluza–Klein et le radion. En naissant puis en se désintégrant aussitôt, ils perturbaient le plasma primordial, brisant la statistique gaussienne des fluctuations de température. Des milliards d'années plus tard, ces inhomogénéités se sont figées en de subtils motifs triangulaires sur la carte du fond diffus, découvert en 1965 par Arno Penzias.
Les chercheurs ont adopté une approche élégante : la spectroscopie cosmologique. De la même manière que les chimistes identifient les éléments grâce aux raies dans le spectre d'une étoile, les physiciens recherchent des « raies spectrales » dans le bispectre — la fonction de corrélation à trois points qui capture les écarts à la gaussianité. Chaque particule possède une signature unique, dépendant de sa masse et de son spin. Le graviton de spin 2 dessine un motif, le radion de spin 0 en dessine un tout autre. Et ces motifs ne sont pas arbitraires : ils se forment dans un espace-temps en expansion, où la dilatation du temps règne en maître, et où les perturbations se déplacent à la vitesse de la lumière. Ainsi naît une véritable spectroscopie de masse et de spin, capable de distinguer des particules inaccessibles à tout accélérateur terrestre.
Après avoir traité les données massives de la mission Planck, les scientifiques n'ont pas vu le pic tant attendu. La significativité locale pour le graviton de Kaluza–Klein s'est arrêtée à 1,8σ pour une masse d'environ 1,6 H (où H est le taux d'expansion pendant l'inflation), et le radion ne s'est pas manifesté du tout. Le paramètre de non-gaussianité fNL s'est révélé nul dans les marges d'erreur : par exemple, pour le graviton, fNL ≈ −58 ± 32. Mais un résultat négatif est aussi un résultat : il a permis de poser des contraintes sur les paramètres des modèles à cinq dimensions comme RS1. Il est remarquable que, dans ces modèles, on s'attende naturellement à des fNL de l'ordre de 1 à 50 — tout près du seuil de sensibilité actuel. En d'autres termes, le spectrographe est presque réglé, et la prochaine génération d'instruments pourrait capter le signal.
Au cours de la prochaine décennie, la sensibilité de la recherche de non-gaussianité va augmenter considérablement. De nouveaux relevés du ciel — Euclid, SPHEREx — et des cartes améliorées de la polarisation du fond diffus réduiront les erreurs de plusieurs facteurs. Les théoriciens, de leur côté, explorent des scénarios de plus en plus exotiques : la dynamique des dimensions supplémentaires, les potentiels chimiques, les fonctions à quatre points. Si les valeurs prédites de fNL sont atteintes, la cosmologie deviendra un outil à part entière de la physique des hautes énergies, capable de sonder des échelles à jamais inaccessibles aux collisionneurs. C'est peut-être ainsi que nous pourrons pour la première fois sonder la nature de la matière noire, si elle est constituée de ces mêmes particules de Kaluza–Klein, ou saisir une indication vers la solution du problème de la hiérarchie des masses dans le modèle standard. Et il ne s'agit pas seulement de particules — la non-gaussianité des gravitons porte l'empreinte des fluctuations quantiques de l'espace-temps, ces fameuses ondes gravitationnelles qui ondulent à travers le tissu cosmique. En ce sens, la recherche de dimensions supplémentaires rejoint le mystère de l'entropie des trous noirs — un autre domaine où les quanta et la gravité s'entrelacent en un nœud serré.
L'idée d'utiliser la cosmologie pour tester la physique des particules remonte aux années 1970, mais c'est la précision fantastique des données de Planck qui en a fait un outil opérationnel.
Dans le roman de Greg Egan, « L'Échelle de Schild », on décrit un univers avec des dimensions supplémentaires, où les physiciens découvrent un moyen de voyager à travers le « volume ». Bien que notre réalité soit plus modeste, la recherche de particules messagères venues de dimensions cachées dans le rayonnement fossile est un pas vers l'écoute de l'écho d'un cosmos multidimensionnel.