2.1 × 10⁻⁹ — c'est à peu près l'écart de température observé sur le ciel, comme si l'on mesurait, à la surface de l'océan, des ondulations hautes d'une fraction de millimètre. Cette infime inhomogénéité est gravée dans le fond diffus cosmologique et raconte les tout premiers instants. Tout a commencé une infime fraction de seconde après le Big Bang, lorsque l'Univers s'est gonflé tel un accélérateur de particules géant, portant les champs quantiques à des énergies inaccessibles aux collisionneurs terrestres. Cette période d'inflation a été prédite par Alan Guth et Andrei Linde, et Juan Maldacena a proposé de l'utiliser comme un collisionneur cosmologique — un outil pour rechercher de nouvelles particules.
L'inflaton — le champ à l'origine de cette dilatation — n'était pas condamné à agir seul. D'autres champs scalaires massifs, ses partenaires, auraient pu exister. Leurs fluctuations quantiques, engendrées par la fulgurante expansion de l'univers sous l'effet de la gravité, auraient laissé des traces sous forme de non-gaussianité, c'est-à-dire des écarts à la loi normale dans la statistique des perturbations primordiales. Si de tels échanges de particules avaient eu lieu à l'aube des temps, leur signal se manifesterait dans les corrélations à trois points (le bispectre) des taches de température sur la carte du ciel. Au fond, c'est comme chercher une empreinte digitale sur une vitre : un motif minuscule mais caractéristique.
C'est la première fois que l'analyse ne se limite pas à un couplage faible entre les champs. Les chercheurs ont utilisé la dynamique complète du modèle standard du secteur étendu, en tenant compte de jusqu'à sept canaux d'interaction indépendants. Le paramètre clé — le mélange ρ — modifie la masse effective de la particule, la rendant visible ou furtive. L'inférence bayésienne a confronté les prédictions aux données réelles du satellite Planck. L'amélioration maximale du χ² n'est que de 5.3 pour cinq paramètres supplémentaires — c'est moins qu'une fluctuation aléatoire. En clair, aucun signal. Les contraintes sur le mélange atteignent ρ/H ≲ 170.
Un tel résultat porte un coup à toute une classe de modèles inflationnaires multi-champs, prisés des théoriciens. Il montre que l'approximation de couplage faible, couramment utilisée, est inadéquate : toutes les valeurs autorisées des paramètres donnent une contribution trop faible pour être détectée par Planck. On peut dire que le collisionneur cosmique est vide pour cette gamme de particules — mais ce n'est pas un échec, c'est un indice précieux. Si les partenaires de l'inflaton existent, ils doivent être soit très légers, soit interagir autrement.
La prochaine génération d'expériences — CMB-S4, Simons Observatory — améliorera la sensibilité d'un facteur 2 à 5 seulement. Cela ne suffira probablement pas pour capter le murmure ténu des particules d'échange. On fonde bien plus d'espoir sur les cartes du rayonnement à 21 cm de l'âge des ténèbres, qui portent l'information de millions de modes indépendants. Pour l'heure, ces 2.1 × 10⁻⁹ inscrits dans le ciel gardent le silence sur le premier billionième de seconde. Le collisionneur cosmique attend de nouveaux auditeurs — et de nouveaux instruments capables de distinguer ses notes les plus subtiles.
Le calcul des bispectres a nécessité plus de 4 millions de lancements du programme CosmoFlow — comme si un seul ordinateur avait fonctionné sans interruption pendant 11 ans. Pourtant, chaque calcul après interpolation ne prenait que des millisecondes.