De la résilience de quelle théorie la masse du boson de Higgs est-elle le nom ?

Bossons sur le boson (7) :

Sur une piste (celle de la sécurité asymptotique) à travers un grand désert phénoménologique avant d'arriver aux hautes énergies ?

We discuss ... the prediction of the Higgs boson mass coming from asymptotic safety of the Standard Model. [...] We find that with the account of existing experimental uncertainties in the mass of the top quark and α_s (taken at 2 sigma level) the bound reads M_H≥M_min (equality corresponds to the asymptotic safety prediction), where M_min=129+-6 GeV. We argue that the discovery of the SM Higgs boson in this range would be in agreement with the hypothesis of the absence of new energy scales between the Fermi and Planck scales. 

Nous discutons ... de la prédiction de la masse du boson de Higgs tirée de l'hypothèse de sécurité asymptotique du Modèle Standard. [...] Nous constatons qu'en tenant compte des incertitudes expérimentales existantes sur la masse du quark top et la constante α_s (prise à un niveau de confiance de 2 sigma) la  M_H≥M_min  (égalité correspond à la prédiction de la sécurité asymptotique), où M_min=129+-6 GeV. Nous soutenons que la découverte du boson de Higgs du Modèle Standard dans cette gamme de masse serait en accord avec l'hypothèse de l'absence d'échelle d'énergie nouvelle entre celles de Fermi et de Planck.

Fedor Bezrukov et al., Higgs boson mass and new physics, 13/05/12

A la frontière d'un plat pays (classiquement conforme) en passant par la brisure d'une symétrie B - L (via un mécanisme de Coleman-Weinberg) ?

The recent discovery of the Higgs-like particle at around 126 GeV has given us a big hint towards the origin of the Higgs potential. Especially the running quartic coupling vanishes near the Planck scale, which indicates a possible link between the physics in the electroweak and the Planck scales. Motivated by this and the hierarchy problem, we investigate a possibility that the Higgs has a flat potential at the Planck scale. In particular, we study the Renormalisation Group analysis of the B-L extension of the standard model with a classical conformality. The B-L symmetry is radiatively broken at the TeV scale via the Coleman-Weinberg mechanism. 

La récente découverte du boson de Higgs autour de 126 GeV nous a donné un indice important sur l'origine du potentiel de Higgs. Surtout le couplage quartique tend vers zéro près de l'échelle de Planck, ce qui indique un lien possible entre la physique électrofaible et les échelles de Planck. Motivés par ce problème et celui de la hiérarchie des masses, nous étudions la possibilité que le boson de Higgs ait un potentiel plat à l'échelle de Planck. En particulier, nous étudions par le moyen du groupe de renormalisation une extension BL du modèle standard avec une symétrie classiquement conforme. La symétrie BL est brisée par des corrections radiatives à l'échelle du TeV via un mécanisme de Coleman-Weinberg.

Satoshi Iso, Yuta Orikasa, TeV Scale B-L model with a flat Higgs potential at the Planck scale -- in view of the hierarchy problem, 10/10/12

Jusqu'à une oasis (presque commutative) pour préparer une longue marche (non commutative celle là) vers une théorie de grande unification avec des neutrinos de Majorana ?

In this paper we thus go one step higher in the construction of the noncommutative manifold, in a sort of noncommutative geometry grand unification. Chamseddine, Connes and Marcolli have shown that the smallest nontrivial almost commutative manifold corresponds to the standard model. Here we consider a larger algebra, that we term grand algebra, which corresponds to a different symmetry. [...]We point out there is a “next level” in noncommutative geometry, but that it is intertwined with the Riemannian and spin structure of spacetime, and therefore it naturally appears at a high scale. The added degrees of freedom are related to the Riemann-spin structure of spacetime, which emerges as a symmetry breaking very similar in nature to the Higgs mechanism. [...]The remarkable added bonus is that the scalar field necessary for the correct mass of the Higgs naturally appears as a fluctuation of the grand algebra with a Majorana mass neutrino term. 

Dans cet article nous franchissons une étape suplémentaire dans la construction d'un espace non commutatif, en pointant vers une sorte de grande unification géométrique non commutative. Chamseddine, Connes et Marcolli ont montré que la plus petite variété presque commutative non triviale correspond au modèle standard. Ici, nous considérons une algèbre plus grande, que nous appelons grande algèbre qui correspond à une symétrie différente. [...] Nous mettons en évidence l'existence d'un "niveau supérieur" dans la géométrie non commutative qui combine les structures Riemanienne et spinorielle de l'espace-temps et qui se manifeste naturellement à une échelle d'énergie élevée. Les degrés de liberté supplémentaires sont liés à cette structure spin-Riemann de l'espace-temps, qui émerge par une brisure de symétrie de nature très similaire au mécanisme de Higgs. [...] Le bonus remarquable est que le champ scalaire nécessaire à l'obtention d'une valeur de masse correcte du boson de Higgs apparaît naturellement comme une fluctuation non commutative de la grande algèbre et donne un terme de masse de Majorana aux neutrinos.

Agostino Devastato, Fedele Lizzi, Pierre Martinetti, Grand Symmetry, Spectral Action, and the Higgs mass, 1/04/13

Vers un monde à la gravité supersymétrique et sans échelle (issue d'une compactification de théorie des cordes) en deçà de celle de Planck ?

We propose a minimal model framework for physics below the Planck scale with the following features: (i) it is based on no-scale supergravity, as favoured in many string compactifications, (ii) it incorporates Starobinsky-like inflation, and hence is compatible with constraints from the Planck satellite, (iii) the inflaton may be identified with a singlet field in a see-saw model for neutrino masses, providing an efficient scenario for reheating and leptogenesis, (iv) supersymmetry breaking occurs with an arbitrary scale and a cosmological constant that vanishes before radiative corrections, (v) regions of the model parameter space are compatible with all LHC, Higgs and dark matter constraints.  

Nous proposons un modèle minimal pour la physique en dessous de l'échelle de Planck avec les caractéristiques suivantes : (i) il est basé sur la supergravité sans échelle qui est attendue dans de nombreuses théories de cordes avec compactification, (ii) il intègre un modèle d'inflation du type Starobinsky et est donc compatible avec les contraintes du satellite Planck, (iii) l'inflaton peut être identifié avec un champ singulet dans un modèle de bascule pour expliquer la masse des neutrinos et fournit un scénario efficace pour  les phases cosmologiques de réchauffement et de leptogénèse, (iv) la brisure de la supersymétrie se produit à une échelle arbitraire et une constante cosmologique qui disparaît avant corrections radiatives, (v) les régions de l'espace des paramètres du modèle sont compatibles avec toutes les contraintes liées aux phénoménologies du LHC, du Higgs et  de la matière noire.

John Ellis, Dimitri V. Nanopoulos, Keith A. Olive, A No-Scale Framework for Sub-Planckian Physics 17/10/13

Peut-on avoir un point de vue quantique cohérent sur le plus dense/grand objet d'étude de la physique classique : le trou noir/l'Univers ?

Les électrons en chute libre rêvent-ils de gravité quantique? (2)*

* On rappelle que cette rubrique est consacrée à la présentation d'articles portant sur la gravité quantique.

Portrait (quantique) du trou noir en condensat (de gravitons?)

L'extrait qui suit est tiré d'un article très spéculatif du physicien théoricien (n'ayons pas peur des pléonasmes) Gia Dvali, connu pour être une remarquable boîte à idées, ce que le blogueur aime à décrire comme une curiositête ;-)

In our picture the following simple quantum portrait of the black hole emerges which does not rely on any classical geometric characteristics, such as horizon. Instead, it is fully characterized by a single quantum parameter N. For us the black hole is a bound-state (Bose-condensate) of N weakly-interacting gravitons of characteristic wave-length, 

λ = (√N)Lp.         (23) 

The quantum interaction strength between individual gravitons is weak and is given by :

α = 1 / N.             (24) 

Correspondingly the mass of the bound-state approximately is given by the sum of energies of individual quanta,               

M = (√N)ℏ / L_p.   (25) 

Notice, that in large N limit, in which the geometric picture is a good approximation, the wavelength can be used as the characteristic size of a black hole, and the horizon area scales as λ² = N L_p². This creates an impression that the horizon represents a collection of N cells of Planck size area. Correspondingly the expression for the mass (25) creates an impression that the mass of a black hole is composed out of N Planck wave-length quanta. Thus, in the geometric limit one may conclude that these scaling laws indicate that black hole horizon could secretly represent a probe of Planck-scale physics. In reality this is just an ”optical illusion” as it is clearly indicated by equations (23) and (24). For large N, the black hole is a quantum bound-state of very soft and very weakly-coupled quanta, and by no means it represents any better probe of Planck scale physics than other macroscopic objects.

Gia Dvali and Cesar Gomez, Black Hole's Quantum N-Portrait, 14/12/2011

Les idées développées dans cet article et d'autres de Dvali et ses collaborateurs ont aussi été discutées sur le site de la revue Nature. Qu'aurait pensé Einstein d'une telle hypothèse heuristique ? Le blogueur serait bien présomptueux de prétendre offrir une réponse à une telle question. Il se contentera de rappeler deux points d'importance respectivement épistémologique et historique :

•  la condensation de Bose dont il est question dans le texte est en fait celle de Bose-Einstein et c'est bien à ce dernier qu'on doit l'idée remarquable d'une transition de phase associée à la condensation d'un nombre macroscopique de bosons dans un unique état quantique, idée développée dans un article de 1924 soit non seulement environ 70 ans avant la confirmation expérimentale indiscutable de cette spéculation (pour des bosons de spin 1 : des atomes froids pour être précis), mais avant même que les bases de la mécanique quantique ne soient entièrement posées (l'équation de Schrödinger date de 1925 !). On ne peut que souhaiter à Gia Dvali une aussi bonne fortune ;
• le concept de trou noir n'était semble-t-il pas très apprécié d'Einstein alors qu'il est présenté comme une des consèquences les plus remarquables de sa théorie de la gravitation ; mais n'est ce pas une attitude similaire que le grand physicien avait également pour certaines conséquences de la mécanique quantique dont il est aussi l'un des pères fondateurs ?

Portrait (quantique) de l'Univers (observable) en trou noir classique 

Voici un extrait de la conclusion d'un article étonnnant écrit il y a quelques temps par Pierre Binétruy, actuel directeur de l'unité mixte de recherche AstroParticule et Cosmologie.  

... we propose to identify the presently observable universe to the same Bose-Einstein condensate of gravitons that describes a black hole. This seems at first to contradict our view of a black hole as a very dense object, but one should remember that the density of a black hole decreases as the inverse square of its radius. Indeed, the density of the presently observable universe (of radius H₀⁻¹) has the right order of magnitude. Moreover, it appears plausible that the Universe, when we observe it, is a self-sustainable condensate of gravitons with a classical behaviour. This is exactly what is a black hole, only at a different length scale.

This allows us to understand the order of magnitude of the vacuum energy density, in agreement with observation. The value obtained is such because the observed universe is large. This provides a new twist to the question “Why does vacuum energy become dominant now?” and correspondingly a different solution to this problem. We focused in this paper on the main component of the Universe i.e. dark energy (which, in our case, is vacuum energy). This departs from the standard attitude which, for historical reasons, considers dark energy as an “extra” component. To us, it appears that one should first explain the dark universe before addressing the question of luminous matter, which appears to be a detail (though an important one) in the present Universe.

Pierre Binétruy, Vacuum energy, holography and a quantum portrait of the visible Universe, 22/08/2012

//traduction et développements supplémentaires à suivre ... 

Faut-il (peut-on) renormaliser {non perturbativement} la théorie quantique de la gravitation ou la "classicaliser" [par condensation macroscopique de gravitons]?

La réponse d'...

... une physicienne philosophe
http://arxiv.org/pdf/1212.0454.pdf
... un physicien {mathématicien}
http://arxiv.org/abs/0805.4545
... un physicien [théoricien]
http://arxiv.org/abs/1006.0984

C'était la sélection toute personnelle du périphysicien (blogueur ;-)

//travail d'édition mineur le 11/12/13

Où trouver des réponses à l'ère de la physique post-moderne?

Bossons sur le boson (6)

En posant une question pointue sur le forum 2.0 : Physics Stack Exchange ...

Is the 125 GeV Higgs boson some kind of a “almost-commutative graviton” at the electroweak scale?

The clumsy "almost-commutative graviton" is provocative. I use it on purpose, to ask two questions in one :

• Is the observation of only one Higgs and no supersymmetric particle below 8 TeV (up to now) a sufficient evidence to substantiate the almost commutative spectral model?

• Can physicists consider now this kind of models pioneered by Connes and Chamseddine to be an effective (physical) and not only formal tentative unification of gravitation and Yang-Mill-Higgs interactions?

Recent developments of the almost-commutative spectral model regarding the Higgs boson and its mass:

Grand Symmetry, Spectral Action, and the Higgs mass /Devastato, Lizzi and Martinetti 2013;

Asymptotic safety, hypergeometric functions, and the Higgs mass in spectral action models /Estrada and Marcolli 2012;

Noncommutative Geometry in the LHC-Era /Stephan 2013. 

Last comments:

(motives for "graviton" as a metaphore and "almost commutative" as a pedagogical reminder)

I know that graviton is a spin 2 gauge boson associated to the gravitational field in a tentative quantification of general relativity. In the framework of Quantum Field Theory it is thus an object independant a priori from the Higgs that is a scalar boson responsible for masses of elementary particles from the Standard Model. Nevertheless I remind that Higgs interaction can be considered as derivated from gravitation in the noncommutative geometric setting (following Thomas Schücker).

The adjective almost-commutative has a precise technical meaning but I use it also in my question to underline the fact that in any theoretical framework non-commutativity is a necessary but not sufficient tool to describe quantum phenomena, therefore it is clear that gravitation has not been quantized yet!

laboussoleestmonpays, question posée le 20 / 06 / 2013

... ou en lisant un roman-thriller de science-fiction disponible en ligne ?

Lentement, elle réalise que ce qui la dérange ne vient pas de l’extérieur, mais de l’intérieur : un murmure un peu confus, qui l’incite à repenser à son sujet de recherche actuel : le Big Broson…

Après tout, en voilà un objet pesant ! se dit-elle. En gros, sa masse devrait être un milliard de fois plus grande que celle du boson de Higgs. Au fait, pourquoi avoir été si paresseux en l’appelant seulement Higgs, alors que Brout et Englert en sont eux aussi les inventeurs? Quelques syllabes de plus à prononcer auraient-elles épuisé les gens ? Sa pensée chemine plus libre que si elle était vraiment éveillée et elle se laisse guider par cette gêne qu’elle a ressentie : si le « Big Broson » est si lourd, c’est qu’il joue un rôle essentiel pour donner aux neutrinos* une masse si petite qu’elle est presque impossible à mesurer ; subtil mécanisme, bien connu des physiciens qui l’appellent « mécanisme de la balançoire » : une masse énorme peut être à l’origine d’une masse minuscule. Bien, soit, mais le « Big Broson » n’est pas comme les autres et fait vraiment partie de la gravitation, il faut en tirer toutes les conséquences !

Alain Connes, Danye Chéreau et Jacques Dixmier, Le Théâtre quantique, Mai 2013

Doit-on parler d'énergie noire et de matière sombre ... (ou l'inverse) ?

Comment traduire "dark energy" et "dark matter" ? 

Voilà une question que le blogueur (qui est aussi professeur de sciences physiques en anglais dans une section européenne de la région Parisienne ;-) se pose depuis longtemps. A priori l'adjectif "dark" n'a pas de raison de se traduire autrement que par sombre ; pourtant la version française de l'encyclopédie collaborative en ligne wikipédia, si elle dispose bien de l'entrée énergie sombre a par contre opté pour la terminologie matière noire pour définir ce que les anglo-saxons désignent par dark matter. 

Le commentaire d'une physicienne des particules, blogueuse et aussi canadienne francophone   

L'expression matière noire est aussi employée spontanément par Pauline Gagnon dans son billet "La matière noire conserve tout son mystère" publié sur le blog Quantum Diaries. Quand on l'interroge sur son choix terminologique elle déclare pourtant :

... je devrais être plus rigoureuse et utiliser la même terminologie dans les deux cas: matière sombre et énergie sombre. Je le ferai à l’avenir pour éviter la confusion.

Pauline Gagnon, réponse à un commentaire, 18 mars 2013

Une réponse tirée d'un dictionnaire étymologique d'astronomie écrit par un astrophysicien iranien de l'observatoire de Paris

Changeons maintenant un peu sinon de communauté scientifique du moins de spécialité et voyons le point de vue d'un astrophysicien, en l'occurrence celui de Mohammad Heydari-Malayeri auteur d'un intéressant dictionnaire en ligne des termes employés en astronomie :

dark energy : anglais / کاروژ ِ تاریک (kâruž-e târik) : persan / énergie noire : français 

A hypothetical form of energy that fills all the space and tends to increase the rate of expansion of the Universe. Assuming the existence of dark energy is a way to explain recent observations that the Universe appears to be expanding at an increasing rate (accelerating Universe). Dark energy seems to be a kind of anti-gravity force and is supposed to be related to vacuum energy. Where gravity pulls things together at the more local level, dark energy tears them apart on the grander scale. The acceleration equation, one of Einstein's equations for the homogeneous Universe, indicates that if the Universe is accelerating, the pressure of the driving component should be strongly negative. The dark energy density relates to the cosmological constant via: ρ_Lambda = Λc²/(8πG), where G is the gravitational constant and c the  speed of light. The first indication of dark energy was provided by the observation of  Type Ia supernovae. Other probes of dark energy are: baryon acoustic oscillations, weak gravitational lensing, and clusters of galaxies. In the standard model of cosmology, dark energy currently accounts for almost 74% of the total mass-energy of the Universe. Two proposed forms for dark energy are the cosmological constant and exotic component such as quintessence. 

Forme d'énergie hypothétique qui remplit tout l'espace et tend à augmenter le taux d'expansion de l'Univers. L'hypothèse de l'existence de l'énergie noire est une manière d'expliquer les observations récentes selon lesquelles l'Univers semble être en expansion à un rythme croissant (accélération de l'expansion de l'Univers). L'énergie noire semble être une sorte de force anti-gravitationnelle et elle est censée être liée à l'énergie du vide. Lorsque la gravité attire les objets ensemble au niveau le plus local, l'énergie noire les éloignent les uns des autres à plus grande échelle. L'équation d'accélération, l'une des équations d'Einstein pour l'univers homogène, indique que si l'expansion de l'Univers s'accélère, la pression de l'élément moteur de cette expansion devrait être fortement négative. La densité de l'énergie noire est liée à la constante cosmologique par l'égalité ρ_Lambda = Λc² / ( 8πG ) où G est la constante gravitationnelle et c la vitesse de la lumière. Le première indice de l'énergie noire a été fourni par l'observation des supernovae de type Ia. D'autres tests de l'énergie sombre sont : les oscillations acoustiques baryoniques, l'effet de lentille gravitationnelle faible et les amas de galaxies. Selon le modèle standard de la cosmologie, l'énergie sombre représente aujourd'hui près de 74 % de la masse - énergie totale de l'Univers . Il y a au moins deux formes possibles d'énergie sombre : la constante cosmologique et une composante exotique comme la quintessence.

dark matter / ماده‌ی ِ تاریک      (mâdde-ye târik) / matière noire

Matter that has no radiation and therefore cannot be detected directly, but whose presence can be inferred from dynamical phenomena produced by its gravitational influence. The existence of dark matter is deduced mainly from the rotational speeds of galaxies, velocities of galaxies in clusters, gravitational lensing by galaxy clusters, and the temperature distribution of hot gas in galaxies and clusters of galaxies. Dark matter plays also a central role in cosmic structure formation. There exists a large number of non-baryonic dark matter candidates. They include, the hypothetical stable particles WIMPs, neutralinos, axions, gravitinos, etc. Among unstable candidates are gravitinos with mild R-parity violation and sterile neutrinos. See also baryonic dark matter, dark matter candidate.

The concept of dark matter was first introduced by J.H. Oort (1932, Bull. Astron. Inst. Netherlands, 6, 249), who studied the vertical motions of the stars in the solar neighborhood and found that the visible matter could account for at most 50% of the derived surface density.

Matière qui n'interagit pas avec le rayonnement et ne peut donc pas être détectée directement, mais dont la présence peut être déduite des phénomènes dynamiques produits par son influence gravitationnelle. L'existence de la matière noire se déduit essentiellement de la vitesse de rotation des galaxies, les vitesses des galaxies dans les amas, les effets de lentille gravitationnelle par des amas de galaxies, et la distribution de température de gaz chaud dans les galaxies et  les amas de galaxies. La matière noire joue également un rôle central dans la formation des grandes structures cosmiques. Il existe un grand nombre de candidats potentiels pour la matière noire non-baryonique. On compte parmi eux les hypothétiques particules stables WIMPs, les neutralinos, les axions, les gravitinos ... etc. Parmi les candidats instables on trouve les gravitinos avec violation douce de la R-parité et les neutrinos stériles. Voir aussi matière noire baryonique, candidats pour la matière noire.
Le concept de la matière noire a été introduit par JH Oort (1932, Bull. Astron. Inst. Netherlands, 6, 249) qui a étudié les mouvements verticaux des étoiles dans le voisinage du Soleil et a constaté que la matière visible ne pouvait représenter au maximum que 50% de la densité de surface modélisée.

Mohammad Heydari-Malayeri, An Etymological Dictionary of Astronomy and Astrophysics 

English-French-Persian, 2005-2013

On voit que le choix de traduction fait par cet astrophysicien est exactement antithétique à celui de la physicienne des particules précédemment citée ! 

Le résultat algorithmique (à paradigme statistique) d'un automate de traduction en ligne global (américain) 

Le précédent dictionnaire étant rédigé en anglais, la traduction proposée ici a donc été faite par moi selon un protocole utilisé assez systématiquement sur mes blogs et qui consiste à faire d'abord traduire le texte automatiquement par l'outil informatique en ligne Google translate puis à amender le résultat, un peu comme on corrigerait un brouillon mais en veillant à revenir systématiquement au texte original pour avoir la liberté de reprendre complètement la structure syntaxique de la traduction automatique (quand elle ne me paraît retranscrire suffisamment bien le sens ou le style du texte source) ou pour simplement choisir un mot à la place de celui imposé par la machine. Ici justement il est intéressant d'observer que la réponse de translate.google est 

dark energy and dark matter = l'énergie sombre et la matière noire

Google Translate, translate.google.fr  30/11/2013

Pour connaître la raison probable du résultat fourni par l'automate précédent il faut savoir que derrière l'algorithme de traduction mis en jeu ici se cache un paradigme statistique :

Le paradigme statistique repose sur l’exploitation de corpus de traduction qui permettent de déterminer la traduction la plus fréquemment utilisée, par les spécialistes, pour une expression donnée. Cette technique a été vulgarisée par Google Translate :

Notre système adopte une méthode différente: d'une part, nous introduisons dans l'ordinateur des milliards de mots provenant de textes monolingues dans la langue cible; d'autre part nous ajoutons des textes mettant en parallèle les deux langues. Ces derniers sont créés à partir d'échantillons de traductions réalisées par des traducteurs professionnels. Nous appliquons ensuite des techniques d'apprentissage statistique pour créer un modèle de traduction. Nous avons obtenu d'excellents résultats dans le cadre d'évaluations réalisées dans ce domaine (ref). 

Roland Raoul KOUASSI, La problématique de la traduction automatique 2009 (?)

Le choix argumenté (subjectif et spéculatif) d'un blogueur périphysicien de France métropolitaine

En supposant que la traduction précédente est essentiellement calculée statistiquement on peut donc l'interpréter comme étant le reflet actuel d'un consensus. Le problème est que l'on ignore la nature exacte des acteurs de ce consensus et donc on peut gloser à l'infini sur leur compétence, leur légitimité ... etc.
Comme blogueur et donc désormais participant potentiel dans cette communauté d'acteurs je vais donc ici et maintenant exposer brièvement les raisons scientifiques qui motive mon propre choix qui se trouve être ... (par hasard ?) le même que celui de l'automate (il faut savoir vivre avec lui sans en avoir peur).

Commençons par une petite remarque d'ordre linguistique et stylistique : il me semble que si la répétition du même adjectif dark associés à energy et matter n'est pas très gênante en anglais, elle "sonne" un peu lourdement à mes oreilles de français métropolitain. Mais l'intérêt me semble-t-il d'employer deux qualificatifs distincts pour transcrire dark est avant-tout de nous donner à réfléchir sur les raisons qui justifieraient l'attribution des termes noire et sombre aux substantifs respectifs matière et énergie et pas l'inverse.

J'ai déjà eu l'occasion sur ce blog de présenter les arguments de Viatcheslav Mukhanov qui tendent à établir l'origine quantique de l'expansion accélérée passée de l'univers. Je pense donc qu'il est raisonnable de penser que la physique quantique est aussi un outil heuristique solide pour mieux comprendre l'accélération de l'expansion actuelle de l'univers. Aussi le choix du terme énergie sombre sous-entend pour moi adéquatement l'idée que ce paramètre cosmologique (qu'il décrive un nouveau champ quantique scalaire ou un terme d'énergie quantique du vide) s'inscrit dans un cadre phénoménologique où l'expérience a déjà montré le caractère plausible de la théorie qui se cache derrière le concept d'énergie noire. Signalons d'ailleurs que les physiciens qui ont mis en évidence cette accélération actuelle ont été récompensés du prix Nobel de physique 2011.

A l'inverse j'ai également relayé les doutes exprimés récemment par certains scientifiques (comme R. H. Sanders par exemple) sur la pertinence de la matière noire pour expliquer des anomalies dynamiques gravitationnelles à l'échelle galactique et au delà. Je pense donc que le paramètre cosmologique baptisé dark matter mériterait davantage le qualificatif de matière noire (il faudrait d'ailleurs préciser non baryonique et froide ou exotique) pour souligner le fait que la recherche de nouvelles particules, qui obéiraient aux lois connues de la gravitation classique sans se plier aux mêmes contraintes quantiques que celles imposées à la matière ordinaire (par les trois autres interactions fondamentales), s'est avérée infructueuse jusqu'à présent. De plus je ne peux m'empêcher de faire un hypothétique parallèle entre l'énigme de ce début de XXI siècle que représente la matière noire et l'énigme du spectre de rayonnement du corps noir auquel était confronté la physique de la fin du XIX siècle, problème qui fut résolu par l'hypothèse de Planck en 1900, laquelle marque la naissance du paradigme quantique. Il n'est pas impossible non plus que l'explication de la matière noire  réclame elle aussi un nouveau paradigme, d'où la justesse de la reprise du qualificatif noir ...

Brève tentative de décryptage historique de la traduction du couple dark matter et dark energy 
Historiquement le concept de dark matter a été forgé par les astrophysiciens bien avant celui de dark energy. Cela explique peut-être le fait que la traduction littérale de matière sombre ait été adoptée depuis longtemps par la communauté scientifique francophone. La notion beaucoup plus récente traduite par énergie noire doit peut-être son nom français à la volonté d'éviter simplement la répétition de l'usage de l'adjectif sombre déjà pris.

En guise de conclusion (ajout du 18/12/13)
La traduction française des termes dark matter and energy qui rendrait le mieux compte de l'état d'avancement insuffisant de la recherche scientifique et de la réflexion épistémologique sur ces questions est probablement quelque chose comme matière et énergie obscures.

Tais-toi et calcule (conjure le professeur de quantique à son étudiant) / échange et métacognitionne (propose le périphysicien à son lecteur)

Un rêve réalisé : une interaction constructive avec un blogueur du nouveau continent 

Pour célébrer mon centième billet sur ce blog, je me permets de retranscrire ici l'échange instructif que j'ai pu avoir avec le blogueur Matthew Strassler (qui est aussi et surtout professeur de physique théorique à l'université Rutgers et actuellement invité à l'université de Harvard) suite à son billet que j'ai par ailleurs déjà eu l'occasion de commenter ailleurs (mais pour d'autres motifs).

Cédric Bardot | November 21, 2013 at 2:53 PM | Reply

Thank you prof. Strassler for this synthetic and pedagogical defence of supersymmetry as a heuristic tool to improve : i) our understanding of the quantum field theories forged IN THE PAST and ii) build plethora of models for TOMORROW. But don’t you think that TODAY, at a time with only one Higgs boson and no superparticle detected by LHC so far (in agreement with null results of dark matter chasing experiments), it is time to focus instead on the possible conceptual reasons for the success of the only validated effective quantum field theory namely the Standard Model ? Now that (astro)physicists can reach so high energies and explore so huge amount of the unknown (but mostly empty!) universe don’t you think that priority should be put on mathematical and phenomenological consistency check of quantum theories ? Does supersymmetry ever help to deal with this topic ? My view is probably very naive but it seems to me that supersymmetry is not only a beautiful tool to enlarge the plato cave that fits with our prejudices (built on former empirical and mathematical experiences) but to say it crudely, it is also the most powerful tool physicists invented to sweep the dust under the carpet!

Matt Strassler | November 21, 2013 at 3:11 PM | Reply

“it is time to focus instead on the possible conceptual reasons for the success of the only validated effective quantum field theory namely the Standard Model”

Yes, I agree with this statement, personally. This is what I’m doing. But it’s not easy… people have considered this for over 30 years and I don’t think there is a convincing story.

However, as I emphasized, studying supersymmetry has been extremely helpful in learning to understand quantum field theory in general. Several of my best ideas for dealing with non-supersymmetric field theories came from studying supersymmetric ones. I have just been reading up on the most powerful new tools for studying non-supersymmetric theories intwo spatial dimensions, many of which relied upon results and/or insights that emerged in supersymmetric contexts. So I think your statement “it is also the most powerful tool physicists invented to sweep the dust under the carpet!” really is too crude, not only in its tone but in its content. It’s much more elaborate and subtle than that. 

Cédric Bardot | November 21, 2013 at 4:03 PM | Reply

Thank you for the fast feedback. I don’t aim at being rude to SUSY, as you understand perfectly, the more so as it could show up “in our face” at any time from future experiments or from data currently processed by tenacious physicists.

On the theoretical side, nevertheless I have the feeling that supersymmetry has been oversold by the media and science outreach in general. I can understand that other mathematical tools, inspired by quantum physics, like quantum groups, Hopf algebra and non commutative geometry for instance are very hard to popularize but they seem to be less studied by theoretical physicists as well while they have proved to be useful : i) to .envision a mathematically coherent picture of renormalization, ii) to calculate the quantum numbers of the discovered Higgs boson and iii) to build possibly phenomenologicaly coherent SO(10) grand unified theory-like models (sorry for loosing non experts, I don’t intend to be pedantic, just specific).

Of course this is just a feeling from a “periphysicist” so to speak. I am not involved in research, just a curious educated hiker on the cybersphere looking for a piece of physics information to better enjoy the beauties of the world.

Once again Bravo ! for your work in this blog  

Matt Strassler | November 21, 2013 at 5:25 PM | Reply

It is a fair point that supersymmetry has been somewhat over-studied (just because people like to play with it) compared to other promising ideas. This is partly because so much progress was made using it in the 1990s — that drew people in, of course. When there’s a breakthrough, people tend to go where the action is, but then they tend to stay longer than perhaps they should. It would definitely be good for people to spread out more.

//C'est moi qui ait naturellement mis en gras le texte ci-dessus car c'est son contenu qui motive la publication de ces commentaires dans ce blog-ci. Je trouve qu'ils font un pendant intéressant au billet précédent ...  

Philosophie (d'un blogueur du vieux continent) :

(Meta)Cogito ergo sum (periphysicus) 

je pense (méta) donc je suis (un périphysicien)

Pour prolonger un peu la métacognition (mot un peu lourd il faut en convenir) j'ajouterais volontier que le périphysicien (n')est (qu')une (modeste) tête chercheuse dans le monde virtuel, tandis que le physicien, comme chercheur accompli dans le monde réel, se doit d'avoir aussi des mains pour compter (manipuler les concepts et éprouver les hypothèses théoriques) et des jambes pour courir (à la chasse aux plus beaux phénomènes naturels et attraper les faits expérimentaux).

//ajout du 25/11/13
A propos de la première sentence du titre de ce billet (tais-toi et calcule ou shut-up and calculate) le  blogueur se doit de rendre à César ce qui appartient à César ou plutôt à David Mermin ce qui est parfois attribué à tord à Richard Feynman ... 

Guerre (des cordes) impossible, paix (des blogueurs) improbable (?)

Rubrique Dévissage(s) (3)

Réchauffement d'une guerre froide ?

La première guerre des cordes (String Wars) entre blogueurs-boxeurs mettait en scène essentiellement Peter Woit et Lubos Motl. Le second étant sorti du ring ou ayant franchi à plusieurs reprises la ligne rouge en se livrant à des attaques personnelles vis à vis du premier (et d'autres personnes non citées ici) il semblait que le débat s'était assagi mais on a pu craindre il y a quelques temps qu'il reprenne sous une forme plus policée mais guère moins virulente entre le premier acteur et un nouvel acteur : Matt Strassler.

Am I Misleading You About String Theory?

Posted on September 19, 2013 | 132 Comments

“You’re making it quite clear that you’re devoted to doing exactly what I find problematic: misleading and confusing people about the status of string unification by refusing to distinguish between two completely different technical issues.”

So I stand accused by Peter Woit, in his latest comments on Tuesday’s post.

Dear readers, you are now the jury, and I stand by your opinion.  I do not want to mislead you — indeed, the purpose of this website is to be a reliable, trustworthy source of information about high-energy physics for the public —  and if I have misled you, I will correct the error.

Prof. Matt Strassler, Blog Of particular significance,  19/09/2013

Un prisme épistémologique pour résoudre la structure fine d'une polémique scientifique ?

Si le débat entre ces deux blogueurs porte sur la théorie des cordes, il me semble que le malentendu pourrait être essentiellement levé en explicitant mieux la différence épistémologique entre :

• une sphère propre à la physique expérimentale qui observe ou reproduit des phénomènes naturels qu'elle analyse ensuite pour les comparer à des modèles) ;
• une sphère que je qualifierais de phénoménologique faisant le pont entre l'expérience et la théorie en produisant des modèles de la réalité ;
• une sphère propre à la physique théorique où se déploie la spéculation, l'exploration formelle d'hypothèses qui agrandissent le champ virtuel des possibles afin que le réel encore indompté y  trouve un espace habitable.

Pour prendre un autre exemple sinon moins polémique du moins mieux maîtrisable à mon avis, je veux parler de la supersymétrie (SUSY) - cette autre idée théorique très commentée depuis les derniers résultats du LHC (en particulier par Woit et Strassler sur leurs blogs respectifs) - il me paraît qu'un consensus raisonnable peut être formulé aujourd'hui en différenciant les trois aspects suivant :

• son succès relatif(?*) dans la sphère théorique de par sa puissance heuristique qui s'exprime à travers la richesse potentielle des solutions qu'elle offre aux problèmes tels que l'unification des interactions fondamentale, la naturalité du boson de Higgs, la hiérachie des échelles de masse, la possible existence de matière et d'énergie noire ou sombre ... ;
• son efficacité indéniable dans la construction de modèles qui s'attaquent à des problématiques (im)pertinentes de la physique des (astro)particules et dont les prévisions sont testables expérimentalement (sphère phénoménologique) ; 
• son échec passé et présent dans la sphère expérimentale puisque les résultats empiriques, dans leur ensemble, n'apportent pas (encore?) de façon claire la preuve irréfutable de sa pertinence pour une meilleur compéhension du réel observé par rapport aux modèles standards existants.

//ajout du 20/11/13
(*) Je me dois de signaler que le professeur Strassler cité initialement vient de mettre en ligne aujourd'hui un nouveau billet qui décrit par le menu - et avec l'effort pédagogique qui le caractérise - tout ce que la théorie quantique des champs doit à l'outil d'investigation théorique que représente la supersymétrie.

Le destin de certaines théories physiques est-il de sombrer dans l'obscurité et d'autres d'enfler jusqu'à l'explosion (comme autant d'étoiles qui meurent) ?

En apprendre assez pour ne pas être naïf au risque d'être un peu ... iconoclaste (5)

Les théories des physiciens sont(-)elles aussi mortelles (?)

A new scientific truth does not triumph by convincing its opponents and making them see the light, but rather because its opponents eventually die, and a new generation grows up that is familiar with it.

Une nouvelle vérité scientifique ne triomphe pas en convainquant ses adversaires et en leur faisant voir la lumière mais plutôt parce que ses opposants finissent par mourir et que grandit une nouvelle génération à qui cette vérité est familière.

Max Planck, Scientific Autobiography and Other Papers

Les WIMPS : de la matière tellement sombre qu'elle ne se laisse pas voir (pour le moment) ? 

A new episode of the dark matter detection saga was just broadcast live from Sanford Lab. LUX is a new direct detection experiment located in a South Dakota mine, not far from Mt Rushmore. Today they presented their results based on the first 3 months of data taking ... So, the light dark matter signal that has been hanging around for several years is basically dead now. Of course, theorists will try to reconcile the existing positive and negative results, just because it's their job. For example, by playing with the relative couplings of dark matter to protons and neutrons one can cook up xenophobic models where dark matter couples much more strongly to silicon and germanium than to xenon [used in LUX experiment]. But seriously, there's now little reason to believe that we are on the verge of a discovery. Next time, maybe. 

Un nouvel épisode de la saga de la détection de matière noire vien d'être diffusé en direct depuis le Sanford Lab. LUX est une nouvelle expérience de détection directe située dans une mine du Dakota du Sud, non loin du Mont Rushmore. Aujourd'hui, LUX a présenté ses résultats basés sur les trois premiers mois de collecte de données ... En conclusion le faible signal de matière noire qui semblait être détecté depuis quelques années est essentiellement mort aijourd'hui. Bien sûr les théoriciens vont essayer de concilier les résultats positifs et négatifs existants pour la simple raison que c'est leur travail. En jouant par exemple avec le différentiel de couplage de la matière noire avec les protons et les neutrons, on peut concocter des modèles "xénophobiques" où la matière noire interagit beaucoup plus fortement avec le silicium et le germanium qu'avec le xénon [utilisé dans l'expérience LUX]. Mais sérieusement, il y a maintenant peu de raisons de croire que nous sommes sur le point de faire une découverte. La prochaine fois, peut-être.

Jester, Fiat Lux, 30/10/13

L'hypothèse de la matière noire pour expliquer les anomalies dynamiques à l'échelle galactique est-elle en train de sombrer?

At the very least one can say that the astronomical evidence for particle dark matter in galaxies, such as the Milky Way, is far less firm than particle physicists have been led to believe. And where does this leave direct detection experiments. I certainly would not encourage anyone involved to give up on such experiments; indeed, it is fortunate that a number of experiments are underway - experiments by independent groups using different techniques. This serves as a useful cross-check on marginal or controversial claims, and the spin-off technology may well find other applications. But I doubt that this is the primary motive of the experimenters in spite of the positive spin placed on each new, more stringent upper limit [on scattering cross section]. Patience is not unlimited, nor is funding, and I would advise any young physicist confronted by career choices to keep this in mind. Perhaps it is true that the emperor has no clothes. 

À tout le moins, on peut dire que la preuve astronomique de la présence de particules de matière noire dans les galaxies comme la Voie Lactée est beaucoup moins solide que les physiciens des particules ont été amenés à croire. Et qu'en est-il des expériences de détection directe ? Loin de moi l'idée d'encourager une personne impliquée dans de telles expériences à y renoncer, en effet, il est heureux qu'un certain nombre d'expériences soient en cours - expériences menées par des groupes indépendants et qui utilisent des techniques différentes. Cela constitue une forte utile contre-vérification  des annonces de découvertes marginales ou controversées et les retombées technologiques pourraient  bien trouver d'autres applications. Mais je doute que ce soit le principal motif des expérimentateurs en dépit de la tournure positive adoptée pour communiquer sur la détermination de chaque nouvelle limite supérieure [de section efficace d'interaction] plus contraignante. La patience a des limites, le financement aussi et je conseillerais à tout jeune physicien confronté à des choix de carrière de garder cela à l'esprit. Peut-être que l'empereur est bien nu.

R.H. Sanders, Reflections on the direct detection of particle dark matter, 8/11/13

Des particules caméléons qui pouvaient classiquement expliquer l'énergie noire ...
... mais dont la théorie quantique explose sous la pression des fluctations primordiales du vide 

The physics of the "dark energy" that drives the current cosmological acceleration remains mysterious, and the dark sector may involve new light dynamical fields. If these light scalars couple to matter, a screening mechanism must prevent them from mediating an unacceptably strong fifth force locally. Here we consider a concrete example: the chameleon mechanism. We show that the same coupling between the chameleon field and matter employed by the screening mechanism also has catastrophic consequences for the chameleon during the Universe's first minutes. The chameleon couples to the trace of the stress-energy tensor, which is temporarily non-zero in a radiation-dominated universe whenever a particle species becomes non-relativistic. These "kicks" impart a significant velocity to the chameleon field, causing its effective mass to vary non-adiabatically and resulting in the copious production of quantum fluctuations. Dissipative effects strongly modify the background evolution of the chameleon field, invalidating all previous classical treatments of chameleon cosmology. Moreover, the resulting fluctuations have extremely high characteristic energies, which casts serious doubt on the validity of the effective theory. 

La physique de "l'énergie noire" qui anime l'accélération cosmologique actuelle reste mystérieuse , et le secteur sombre peut impliquer de nouveaux champs dynamiques légers. Si ces scalaires légers interagissent avec la matière ordinaire, un mécanisme d'écrantage doit les empêcher de médier une cinquième force dont l'intensité serait localement trop forte. Dans cet article, nous considérons un exemple concret : le mécanisme caméléon. Nous montrons que le même couplage entre le champ caméléon et la matière nécessaire à l'écrantage a également des conséquences catastrophiques pour le caméléon pendant les premières minutes de l'Univers. Le caméléon est couplé à la trace du tenseur énergie-impulsion qui est temporairement non nulle dans un univers dominé par le rayonnement chaque fois qu'une espèce de particules devient non relativiste. Ces sortes de « coups de pied » confèrent une vitesse importante au champ caméléon, provoquant une variation non-adiabatique de sa masse effective et aboutissant à la production abondante de fluctuations quantiques. Des effets dissipatifs modifient fortement l'évolution de fond du champ caméléon, invalidant tous les traitements classiques antérieurs de cosmologie chaméléon. Par ailleurs, les fluctuations résultantes ont des énergies caractéristiques extrêmement élevées, ce qui jette un doute sérieux sur la validité de la théorie effective du caméléon.

Adrienne L. Erickcek, Catastrophic Consequences of Kicking the Chameleon, 29/03/2013

Le paysage des théories des cordes n'enfle-t-il pas trop le champ des possibles  ?

The discovery that string theory admits an enormous number of flux vacua [1-3] has played a formative role in the theory’s development for well over a decade ...  Yet, due to the complexity of this landscape of vacua, many basic questions remain ... In this paper we undertake a study ... that is of potential relevance to one such vital question: Do we expect these vacua to be long-lived? As a direct analysis would present formidable challenges, we instead consider generic, field theoretic models of the landscape and study how the stability of vacua varies as the dimension of the moduli space (the number of fields) increases. Our results suggest that tunneling rates, and hence vacuum instability, grow so rapidly with the number of moduli that the probability of a given local minimum being metastable is exponentially small.  

La découverte que la théorie des cordes admet un nombre énorme de vides avec flux [1-3] a joué un rôle séminal dans le développement de la théorie depuis plus d'une décennie... Pourtant, en raison de la complexité de ce paysage de vides, de nombreuses questions fondamentales restent en suspend. Dans cet article, nous menons une étude qui présente potentiellement un intérêt pour une question vitale : doit-on s'attendre à ce que ces vides aient une durée de vie longue ? Comme une analyse directe représente un défi considérable, nous nous concentrons plutôt sur des modèles génériques du paysage et analysons comment la stabilité des vides varie avec l'augmentation de la dimension de l'espace des modules (le nombre de champs scalaires ou moduli). Nos résultats suggèrent que les taux d'effet tunnel, et donc l'instabilité du vide, croissent tellement rapidement avec le nombre de moduli que la probabilité qu'un minimum local soit métastable est exponentiellement petite.

Brian Greene et collaborateurs, Tumbling through a landscape: Evidence of instabilities in high-dimensional moduli spaces, 3/06/2013

Et si (la mission) Planck avait tué le (la théorie du) rayonnement noir ?

The Standard Model of particle physics has three massless neutrinos. Beyond-Standard-Model physics (or uncomfortable fine-tuning) is needed to give neutrinos a non-zero mass, and extensions of the Standard Model include the possibility of more than three neutrino species. The standard cosmological model, Lambda-CDM, also has three massless neutrino families, but quantifies their effects through the ffective number of species, N_eff = 3,046. This differs from the number of neutrino species, N = 3, to account for QED effects, for neutrinos being not completely decoupled during electron-positron annihilation and other small effects (see, e.g., Refs. [10, 11]). For cosmological observations, a deviation from the Standard Model prediction for Ne does not necessarily imply new neutrino physics: e.g., any non-standard early-Universe expansion history due to non-standard energy-density can parametrized in terms of N_eff . This "dark radiation" has been the subject of great interest in the pre-Planck years: for a review, see Ref. [12] and references therein, and the discussion and references in Ref. [8].

The pre-Planck cosmological data have been often interpreted as supporting the case for dark radiation, as well as one or more sterile neutrinos. Post-Planck, the data leave less freedom to the sterile-neutrino interpretation [13], but Bayesian parameter estimates of models with N_eff as a free parameter still leave room for dark radiation (see, e.g., Refs. [14, 20])... However, in the context of current cosmological data, the Bayesian Evidence indicates that the standard Lambda-CDM model does not require any of the extensions we have considered. 

Le Modèle Standard de la physique des particules a trois neutrinos de masse nulle. Une physique au delà du Modèle Standard (ou un réglage fin ad-hoc) est nécessaire pour donner aux neutrinos une masse non nulle et les extensions du Modèle Standard incluent la possibilité de plus de trois espèces de neutrinos. Le modèle cosmologique standard Lambda-CDM, dispose également de trois familles de neutrinos de masse nulle mais quantifie leurs effets à travers le nombre effectif N_eff = 3,046. Ce nombre diffère du nombre de familles de neutrinos N = 3 parce qu'il incorpore des corrections liées à l'électrodynamique quantique, au fait que les neutrinos ne sont pas complètement découplés lors de l'annihilation électron-positron et d'autres effets plus petits (voir, par exemple , Refs. [10, 11]). Pour les observations cosmologiques, une déviation de la prédiction du Modèle Standard pour N_eff n'implique pas nécessairement une nouvelle physique des neutrinos : par exemple toute l'histoire de l'expansion précoce Univers non-standard en raison de densité d'énergie non-standard peuvent paramétrée en termes de N_eff. Ce «rayonnement sombre " a fait l'objet d'un grand intérêt dans les années pré- Planck : pour une revue, voir Ref. [12] et les références qui s'y trouvent, ainsi que la discussion et les références dans Ref.  [8] .
Les données cosmologiques antérieures à la mission Planck ont souvent été interprétées comme soutenant l'hypothèse du rayonnement noir et à celle de l'existence d'un ou plusieurs neutrinos stériles. Après la mission Planck, les données laissent moins de marge de manoeuvre pour une interprétation en terme de neutrino stérile [13] mais les analyses bayésiennes pour évaluer les modèles avec N_eff comme paramètre libre laissent encore une place à l'existence éventuelle du rayonnement noir (voir par exemple les Refs. [14, 20]) ... Cependant au regard des données cosmologiques actuelles, l'analyse bayésienne indique aussi que le modèle Lambda-CDM ne nécessite aucune des extensions que nous avons considérées.

Licia Verde et collaborateurs, (Lack of) Cosmological evidence for dark radiation after Planck, 10/09/2013

Conclusion

Les théories physiquement fausses n'ont peut-être pas d'autre choix épistémologique que :

• de se cacher pour mourir lorsqu'elles n'offrent pas assez de prise au réel ou plus aucune solution théorique ;
• ou bien d'enfler le nombre de leurs hypothèses, de leurs paramètres ou de leurs solutions, au risque d'une explosion finale qui les fait basculer hors du cadre de la science expérimentale.

//Dernier travail de rédaction le 11/11/2013

Modèle Standard (de la physique des particules) + modèle (cosmologique) standard = Modèle (pour qui) Standard (de quoi)?

Sans commentaire // ou presque (18)

//Voici le premier paragraphe du dernier article mis en ligne par John Ellis, une figure respectée du CERN et un des plus fervents promoteurs de la physique des astroparticules et de la supersymétrie. Il illustre bien, il me semble, un certain état de l'art de la recherche en physique théorique dans la nouvelle ère post-Higgs :

There are two extensions of the Standard Model of particle physics that seem to us particularly well motivated: heavy singlet (right-handed) neutrinos to generate mixing and small masses for the standard left-handed neutrinos via the see-saw mechanism [1], and supersymmetry [2] to stabilize the electroweak scale, facilitate grand unification, etc.. Likewise, there are three well-motivated extensions of the standard Big Bang model of cosmology: baryogenesis [3], dark matter [4], and inflation [5] to explain the large-scale homogeneity of the universe and the fluctuations in the cosmic microwave background (CMB). There are also popular connections between these extensions of the Standard Model: for example, CP violation in the decays of the heavy singlet (right-handed) neutrinos might have generated a lepton asymmetry that would subsequently have been converted into a baryon asymmetry via sphaleron interactions [6], supersymmetry provides a natural dark matter candidate [7], and the inflaton might have been a heavy singlet sneutrino [8].

Il y a deux extensions du Modèle Standard de la physique des particules qui nous semblent particulièrement solides : celle basée sur des neutrinos singulets lourds (de chiralité droite) susceptibles de générer le mélange des neutrinos gauchers et leurs faibles masses [1], celle basée sur la supersymétrie [2] qui permet de stabiliser l'échelle électrofaible, d'obtenir une grande unification ... etc. De même, il y a trois extensions solides du modèle du Big Bang standard pour la cosmologie : la  baryogénèse [3] , la matière noire [4] et l'inflation [5 ] qui permettent d'expliquer l'homogénéité à grande échelle de l'univers ainsi que les fluctuations du fond diffus cosmologique ( CMB) de micro-ondes. Il existe également des liens reconnus entre ces extensions du Modèle Standard : par exemple la violation de la symétrie CP dans les désintégrations des neutrinos singulets droitiers pourrait avoir générée une asymétrie leptonique qui aurait par la suite été transformée en une asymétrie baryonique via des interactions avec des sphalérons [6], d'autre part la supersymétrie fournirait un candidat naturel pour la matière noire [7], enfin l'inflaton aurait pu être un superpartenaire du neutrino singulet lourd [8].

John Ellis, Dimitri V. Nanopoulos, Keith A. Olive, A No-Scale Framework for Sub-Planckian Physics 13/10/13

//Où le lecteur constatera, avec le blogueur, que la facilité avec laquelle Ellis (et ses collaborateurs) passe d'un modèle standard à l'autre n'a d'égale que sa formidable maîtrise des arcanes de la construction de modèles supersymétriques à même d'être à la fois en accord avec les expériences passées et prêts à se soumettre aux tribunaux empiriques futurs ... 

//dernier travail d'édition 11/11/13

(Si) la cosmologie quantique rentre dans l'ère de la précision (l'âge de raison?), (est-ce) un moment d(e dés)illusion pour la physique des (astro)particules ?

Rubrique Dévissage(s) (2)

Ne pas confondre accélération et inflation (de l'expansion de l'univers ou du développement des théories cosmologiques ;-) 

It was discovered in 1980 that the quantum fluctuations of the metric can explain the observable structure of the universe if and only if the expanding universe went through a stage of cosmic acceleration [1]. The spectrum of these perturbations in the range of observable scales was calculated for the first time in [2]. About the same time it was realized that in order to understand the large scale homogeneity and isotropy of the observable universe one also needs a stage of accelerated expansion, cosmic inflation [3]. At present there exist hundreds of different inflationary scenarios. 

En 1980 on a découvert que les fluctuations quantiques de la métrique peuvent expliquer la structure de l'univers observable si et seulement si l'univers en expansion est passé par une phase d'accélération cosmique [1]. Le spectre de ces perturbations dans la gamme des échelles observables a été calculé pour la première fois dans [2]. Vers la même époque, on a pris conscience que pour comprendre l'homogénéité à grande échelle et l'isotropie de l'univers observable une phase d'expansion accélérée appelée inflation cosmique [3] était nécessaire. À l'heure actuelle, il existe des centaines de  scénarios inflationnistes distincts.

Viatcheslav Mukhanov, Quantum Cosmological Perturbations: Predictions and Observations, 13/03/13

Soumettre à l'épreuve des faits expérimentaux des modèles prédictifs est un art qui se nourrit du maximum de contraintes portées sur le minimum de paramètres (et non l'inverse).  

To understand what theory of quantum fluctuations really predicts and how to extract the parameters, characterizing the inflationary stage, from observations it is convenient to describe inflation using the effective hydrodynamical approach. In this approach the state of the matter is entirely characterized by its energy density ε and the pressure p. In this note I will only consider the predictive inflationary theory, when both the acceleration and the perturbations are due to the same matter component. There exist many models where one kind of matter is responsible for acceleration and the other for perturbations. In these models nearly any outcome of the measurements can be accommodated making them experimentally non falsifiable and therefore of no great interest. Indeed a theory makes sense only if it makes non-trivial predictions which can be confirmed or disproved by measurements and the best theory is the theory with the minimal number of parameters. In fact, there is no need to involve more parameters unless there appears an obvious contradiction with experimental data or there exist deep theoretical reasons for doing so. Because the theory of simple inflation is in excellent agreement with the present observations it is enough to restrict ourselves to this predictive theory. 

Pour comprendre ce que la théorie des fluctuations quantiques prédit vraiment et savoir comment extraire les paramètres caractérisant la phase inflationniste à partir des observations il est commode de décrire l'inflation en utilisant une approche effective de type hydrodynamique. Dans cette approche, l'état ​​de la matière est entièrement caractérisé par sa  densité d'énergie ε et la pression p. Dans cette note,  je vais seulement considérer la théorie inflationniste prédictive dans laquelle l'accélération et les perturbations sont dues à la même composante de matière. Il existe de nombreux modèles où un type particulier de matière est responsable de l'accélération et un autre des perturbations . Dans ces modèles on peut rendre compte de presque tous les résultats de mesures ce qui les rend expérimentalement non falsifiables et donc sans grand intérêt. En effet, une théorie n'a de sens que si elle fait des prédictions non triviales qui peuvent être confirmées ou réfutées par des mesures et la meilleure théorie est celle avec le nombre minimal de paramètres. En fait, il n'est pas nécessaire de prendre en compte davantage de paramètres à moins qu'il n'apparaisse une contradiction flagrante avec les données expérimentales ou bien qu'il n'existe des raisons théoriques profondes pour le faire. Puisque la théorie de l'inflation simple est en excellent accord avec les observations actuelles il est suffisant de nous limiter à cette théorie prédictive .

Viatcheslav Mukhanov, ibid. 

De la robustesse des prédictions de la théorie des perturbations cosmologiques quantiques (ou ces sacrés théoriciens russes et leurs merveilleuses solutions analytiques). 

The key point is that the microscopic origin of the dark energy does not play a crucial role regarding the major predictions of the quantum cosmological perturbations theory. Everything we need is a “decaying cosmological constant”... The logarithmic spectrum obtained in [2] ... is in good agreement with the most recent measurements of the CMB fluctuations [5] ... and confirm the logarithmic dependence of the gravitational potential at the level of 3,5σ. This logarithmic dependence has a deep physical origin since it is due to the small deviation of the equation of state from cosmological constant needed for a graceful exit. 

...I would like to stress that the model independent predictions above are extremely nontrivial and were for a long time in conflict with observations. For example, in the 80th, along with the theory of quantum initial perturbations there were competing theories of cosmic strings, textures and entropy perturbations, which sometimes were even more favorable from the point of view of observations. However, now all these theories are ruled out and only the theory of quantum cosmological perturbations with all its nontrivial predictions is confirmed by observations.  

Le point clé est que l'origine microscopique de l'énergie sombre ne joue pas un rôle crucial en ce qui concerne les principales prédictions de la théorie quantique des perturbations cosmologiques . Tout ce dont nous avons besoin est une " constante cosmologique décroissante " ... Le spectre logarithmique obtenues dans [2] ... est en bon accord avec les mesures les plus récentes des fluctuations du fond diffus cosmologique [5]... et confirment la dépendance logarithmique du potentiel gravitationnel à un niveau de confiance de 3,5 σ. Cette dépendance logarithmique a une origine physique profonde car elle est due à la petite déviation de l'équation d'état par rapport à la constante cosmologique requise pour une sortie douce de la phase inflationnaire.

... Je tiens à souligner que les prédictions ci-dessus, qui ne dépendent pas du modèle, n'ont absolument rien d'évident et furent longtemps en conflit avec les observations. Dans les années 80 par exemple il y a eu, parallèlement à la théorie quantique des perturbations initiales, des théories concurrentes comme celles des cordes cosmiques, des textures et des perturbations entropiques qui ont parfois été plus en accord avec les observations de l'époque. Cependant toutes ces théories sont maintenant réfutées et la théorie des perturbations cosmologiques quantiques avec toutes ses prédictions non triviales sont confirmées par les observations. 

Viatcheslav Mukhanov, ibid.

Peut-on être déjà sûr de l'origine quantique des premières structures de l'Univers sans avoir encore détectée l'une de ses signatures gravitationnelles dans le modèle (le plus) simple d'inflation cosmologique?

One more robust prediction of inflation is the existence of the longwave gravitational waves [6]... Although primordial gravitational waves are not yet detected, the experimental confirmation of the flatness of the universe, adiabatic nature of nearly gaussian perturbations and the discovered (at 3,5 sigma level) logarithmic tilt of the spectrum unambiguously prove the quantum origin of the universe structure and the early cosmic acceleration ... Given that the quantum origin of the universe structure is experimentally confirmed, the precision measurements already now allow us to exclude many inflationary scenarios existing in the literature. Moreover, the improved accuracy of the determination of spectral index, the bound (or detection) on non-gaussianity and the bound (or possible future detection) on primordial gravitational waves will allow us to put further restrictions on the admissible inflationary scenarios. 

Une prédiction plus robuste du scénario inflationnaire est l'existence d'ondes gravitationnelles de grande longueur d'onde [ 6 ] ... Bien que les ondes gravitationnelles primordiales n'aient pas encore été détectés, la confirmation expérimentale de la  quasi -platitude de l'univers, la nature adiabatique des perturbations presque gaussiennes et la découverte de l'inclinaison logarithmique (à un niveau de confiance de 3,5 sigma) du spectre prouve sans ambiguïté l'origine quantique de la structure de l'univers et la phase initiale d'accélération cosmique .... Étant donné que l'origine quantique de la structure de l'univers est confirmée expérimentalement , les mesures de précision nous permettent d'ores et déjà d'exclure de nombreux scénarios inflationnistes existants dans la littérature. En outre, l'amélioration de la précision de la détermination de l'indice spectral, la majoration (ou la détection) du caractère non-gaussien des fluctuations du fond diffus cosmoloigique et la borne sur (ou la détection éventuelle future de) l'amplitude des ondes gravitationnelles primordiales va nous permettre de mettre des contraintes supplémentaires sur les scénarios inflationnistes admissibles.

Viatcheslav Mukhanov, ibid.

Faut-il espérer percer les mystères quantiques actuels de la physique des particules en dévissant les rouages du mécanisme de formation des structures cosmologiques primordiales?

After the origin of the universe structure from quantum fluctuations is confirmed one can ask the question how much can we really learn about fundamental physics making precise measurements of the parameters α and β... Assuming that inflation is due to the slow roll scalar field with a standard kinetic energy term we will determine the scalar field potentials, which correspond to different values of α and β...although non-decisive for selecting a particular scenario the precision measurements are very useful for excluding the whole families of inflationary scenarios. It seems that taking into account the possible accuracy of the measurements, the uncertainty in N due to unknown detailed physics after inflation and the remaining freedom in the choice of β one will never be able to distinguish the models described by potentials of type ...

... this seems will not help us too much in recovering the fundamental particle physics behind inflation. In fact, the observational data only allow us to measure only the effective equation of state and the rate of its change in a rather small interval of scales. Keeping in mind unavoidable experimental uncertainty, the effect of unknown physics right after inflation and degeneracy in the scenarios discussed above we perhaps will never be able to find out the microscopical theory of inflation without further very essential input from the particle physics... 

the remarkable property of the theory of quantum origin of the universe structure is that the gravity seems does not care too much about microscopic theory providing needed equation of state, and allows us to make experimentally verifiable predictions. 

Après la confirmation de l'explication de l'origine de la structure de l'univers par des fluctuations quantiques, on peut se demander si effectuer des mesures précises des paramètres α et β permet d'en apprendre beaucoup sur la physique fondamentale ... En supposant que l'inflation est due au champ scalaire en roulement lent avec un terme d'énergie cinétique standard, nous allons déterminer les potentiels du champ scalaire qui correspondent à différentes valeurs de α et β ... quoique non déterminantes pour la sélection d'un scénario particulier les mesures de précision sont très utiles pour l'exclusion de familles entières de scénarios inflationnistes. Il semble qu'en tenant compte à la fois de la précision limité des mesures, de l'incertitude sur le paramètre N due aux détails inconnus de la physique après l'inflation sans oublier la liberté restant dans le choix de β on ne sera jamais en mesure de distinguer les modèles décrits par des potentiels de type ...
... il semble que cela ne nous aidera donc pas beaucoup à reconstruire la physique des particules fondamentales qui se cache derrière le phénomène inflationnaire. En fait les données observationnelles ne nous permettent de déterminer l'équation d'état effective et son taux de variation que dans un intervalle plutôt modeste de valeurs. Gardant à l'esprit les inévitables incertitudes expérimentales, les effets de la physique inconnue juste après l'inflation et le degré d'ambiguïté dans les scénarios décrits ci-dessus , nous ne seront peut-être jamais en mesure de trouver la théorie microscopique de l'inflation sans autre information substancielle issue de la physique des particules ...
... la propriété remarquable de la théorie de l'origine quantique de la structure de l'univers c'est que la gravité ne semble pas trop se soucier de la théorie microscopique responsable de l'équation d'état mais c'est pour cette même raison qu'elle nous permet de faire des prédictions testables expérimentalement.

Viatcheslav Mukhanov, ibid.

Les physiciens des particules savent dépasser leurs illusions passagères et continuer à espérer, la tête dans les étoiles...

The CMB spectrum measured by the Planck satellite points to a perfectly boring universe: the vanilla ΛCDM cosmological model, no hint of new light degrees of freedom beyond the standard model, no hint of larger-than-expected neutrino masses, etc. However at the quantitative level things are a bit more interesting, as Planck has considerably narrowed down the parameter space of inflation. 

... the current situation is interesting but unsettled. However, the limit r≲0.11 may not be the last word, if the Planck collaboration manages to fix their polarization data. The tensor fluctuations can be better probed via the B-mode of the CMB polarization spectrum, with the sensitivity of Planck often quoted around r∼0.05. If indeed the parameter ε is not much smaller than 0.01, as hinted by the spectral index, Planck may be able to pinpoint the B-mode and measure a non-zero tensor-to-scalar ratio. That would be a huge achievement because we would learn the absolute scale of inflation, and get a glimpse into fundamental physics at 10^16 GeV! Observing no signal and setting stronger limits would also be interesting, as it would completely exclude power-law potentials. We'll see in 1 year.  

Le spectre du fond diffus cosmologique (CMB) mesuré par le satellite Planck nous montre un univers parfaitement ennuyeux : le modèle ΛCDM cosmologique le plus ordinaire, aucune trace de nouvelles particules de faible masse au-delà du modèle standard, aucun indice d'une masse des neutrinos plus grande que prévu ... etc. Toutefois au niveau quantitatif les choses sont un peu plus intéressantes car Planck a considérablement rétréci l'espace des paramètres des modèles inflationnaires.
... la situation actuelle est intéressante mais instable. Toutefois la limite r ≲ 0.11 peut ne pas être le dernier mot si la collaboration Planck parvient à exploiter ses données de polarisation. Les fluctuations tensorielles peuvent être mieux sondées via le mode B du spectre de polarisation CMB avec la sensibilité de Planck souvent annoncée autour de r ~ 0,05. En effet, si le paramètre ε n'est pas beaucoup plus petit que 0,01, comme le laisse entendre l'indice spectral, Planck est peut-être en mesure d'identifier le mode B et mesurer un ratio tenseur sur scalaire non nul. Ce serait une avancée majeure car nous pourrions ainsi connaître l'échelle absolue de l'inflation et obtenir un aperçu sur la physique fondamentale à 10^16 GeV ! N'observer aucun signal tout en fixant des limites plus fortes serait également intéressant car cela exclurait complètement les potentiels en loi de puissance. Nous verrons dans un an.

 Jester, Planck about Inflation, 20/04/2013

Post tapuscriptum du 17/09/13
Alan Guth, le père américain de la théorie de l'inflation cosmologique a été récompensé par le fameux prix de la Physique Fondamentale en 2012, prix créé et financé par le capital-risqueur milliardaire russe Yuri Milner lequel a parallèlement récompensé de nombreux travaux sur la théorie des cordes, la gravitation et l'informatique quantiques. Viatcheslav Mukhanov quant-à lui, le cosmologiste russe abondamment cité dans ce billet, est le cofondateur de la théorie de l'origine quantique des fluctuations cosmologiques primordiales (qui repose sur l'existence d'une phase d'accélération de l'expansion de l'univers), théorie dont on vient de voir que de nombreuses prédictions non triviales sont désormais validées sans ambiguité par les observations récentes du satellite Planck. L'avenir nous dira qui du comité du prix Nobel ou de celui du prix Milner sera le premier à récompenser ces importants travaux ...

//Remarque : traduction des extraits en français faite le 23/10/2013