Des mondes intensément mêlés : l'inflation comme collisionneur cosmique ✛ ✦

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers a connu une expansion fulgurante — l'inflation — qui a gonflé les fluctuations quantiques jusqu'à des échelles visibles aujourd'hui dans le Fond diffus cosmologique. Cette « radiographie » cosmique ne conserve pas seulement les oscillations acoustiques des baryons, mais aussi des effets plus subtils : la non-gaussianité, qui brise la statistique gaussienne simple des perturbations primordiales. C'est ici, dans les corrélations à trois points, comme sur une plaque photographique qui se révèle à travers un verre dépoli, que l'on devine les silhouettes de particules nées à cette époque.

Jusqu'à présent, les théoriciens, suivant les travaux d'Alan Guth et d'Andrei Linde, considéraient des scénarios à un seul champ ou une interaction faible entre champs supplémentaires. Mais une théorie complète doit inclure de nouveaux degrés de liberté — candidats à la matière noire, partenaires supersymétriques ou porteurs de forces au-delà du modèle standard. Ils se mélangent inévitablement à l'inflaton, et ce mélange peut n'être pas un murmure timide, mais puissant, comme la danse de deux tourbillons galactiques qui fusionnent en un seul.

C'est précisément ce cas que la nouvelle étude a réussi à démêler. Les auteurs ont construit des solutions exactes pour un système de deux champs quantiques où le paramètre de mélange λ n'est pas supposé petit. Au lieu d'approximations, ils ont « habillé » les propagateurs avec des modes exacts — comme un costume taillé sur mesure pour chaque courbe — en sommant les effets du mélange jusqu'à l'ordre infini. C'est comme si, au lieu d'ajouter successivement des corrections perturbatives, on prenait en compte d'un coup toute l'échelle infinie des interactions, transformant une cacophonie en un signal cristallin.

Mais le plus inattendu est la structure fréquentielle du signal. Dans l'analyse perturbative, une masse effective dépendant d'une combinaison de paramètres apparaît, tandis que la solution exacte montre que les oscillations du bispectre dans la limite comprimée sont déterminées directement par la masse nue du champ entropique μ. L'effet rappelle la différence entre deviner la hauteur d'un arbre par son ombre sur un mur et mesurer directement ses cernes : on n'entend plus un bourdonnement moyen, mais des notes pures, chacune portant une information sur les masses fondamentales.

Ces résultats portent la physique de l'inflation à un nouveau niveau analytique. On peut désormais sonder les masses et les constantes de couplage des particules de l'ère de l'inflation à partir des données observées, sans craindre les artefacts du développement perturbatif. De plus, une voie s'ouvre pour expliquer le mystère des trous noirs primordiaux, car d'énormes inhomogénéités s'effondrent naturellement sous leur propre gravité. Si la matière noire est constituée de tels trous noirs, nous tenons peut-être la clé de sa nature — une clé forgée dans les mathématiques des solutions exactes.

À venir : l'inclusion du mélange dépendant du temps, le calcul des fonctions à quatre points et des corrections de boucles. Ces travaux jettent aussi des ponts vers la méthode du bootstrap cosmologique proposée par Juan Maldacena, où les corrélateurs sont construits sans calculs dynamiques, à partir des symétries. L'opérateur de dressing hypergéométrique apparaît comme une pièce prête à l'emploi pour un nouveau jeu de construction bootstrap — comme si l'Univers lui-même s'assemblait à partir de blocs mathématiques suivant les règles des symétries de de Sitter.