Le professeur Maxim Khlopov parle sur la physique de cosmoparticules, la science de la relation fondamentale entre la théorie de l’Univers et la physique du micro-monde

Maxim Khlopov

Maxim Khlopov (http://www.apc.univ-paris7.fr/~khlopov/) est professeur, docteur en sciences physiques et mathématiques. Il est le chercheur principal de l’Institut de physique de l’université fédérale du sud, professeur de département de physique de particules élémentaires de l’université fédérale de Recherche Nuclear NRNU MEPhI, directeur de l’Institut virtuel de physique d’astroparticules (VIA), président du Centre de physique de cosmoparticules Cosmion.

Il s’est diplômé avec mention à l’institut de physique et technologie de Moscou en 1974, le sujet de sa thèse de doctorat est Effets physiques et astrophysiques d’interactions faibles (1977), le sujet de sa thèse de doctorat est Manifestations astrophysiques d’interactions super faibles de particules élémentaires (1986). Khlopov travailla dans le groupe de Ya. B. Zeldovich dans l’Institut Keldysh de mathématiques appliquées de 1977 à 2004, offrit ses services comme scientifique invité dans l’Observatoire d’astrophysique spécial (N. Arkhyz, Russie) de 1987 à 1990, professeur MIUR à l’université de Rome La Sapienza de 2002 à 2004, spécialiste invité dans la section de Lecce de l’INFN (Italie), le Centre de Recherches sur les très basses températures (CRTBT, Grenoble, France) et le Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (LPSC, Grenoble, France) de 2005 à 2006.

Il réalise la gestion scientifique du projet de l’Institut virtuel de physique d’astroparticules, dans le Laboratoire d’APC (Paris, France) alors qu’il continue avec ses emplois dans le MEPhI et Cosmion depuis 2007.

Avec A. D. Sakharov il a créé le conseil de l’Académie de science scientifique sur la physique de cosmoparticules en 1989 et le Centre de physiques de cosmoparticules Cosmion en 1992 pour la mise en œuvre d’un programme de recherche développé par le Conseil. Khlopov a été l’organisateur des Conférences internationales sur la physique de cosmoparticules Cosmion-94 (Moscou), Cosmion-96 (Moscou), Cosmion-97 (Moscou), Cosmion-99 (Moscou), Cosmion-2001 (Moscou-Saint Pétersbourg) et Cosmion-2004 (Moscou-Saint Pétersbourg-Paris), où les résultats de cette recherche furent présentés.

Il organise des Ateliers Bled annuels appelés “Qu’y-a-t ‘il au-delà des modèles standards ?” à Bled, Slovénie depuis 2010. Il continue avec son emploi de chercheur principal à l’Institut de physique de l’université fédérale de sud, où il réalise la gestion scientifique du projet Études de physique de cosmoparticules de plusieurs types d’extension du modèle standard fondé sur les restrictions de la nature de la matière noire de l’Univers à partir des données de physique d’énergie élevée et astrophysique depuis 2018.

Il est membre de Gravitation and Cosmology, la revue internationale de physiques modernes, symétrie, particules, Univers et du Comité de rédaction de revues scientifiques internationales de physique.

Khlopov est l’auteur de 24 livres, manuels et chapitres dans des livres. Entre eux se trouve la monographie Physique de cosmoparticules. (https://www.worldscientific.com/doi/pdf/10.1142/3522), publié en 1999 par World Scientific, Cosmological Pattern of Microphysics in the Inflationary Universe (https://www.springer.com/gp/book/9781402026492?cm_mmc=sgw-_-ps-_-book-_-1-4020-2649-8), publié par Kluwer Academic Publishers en 2004, Basics of Cosmoparticle Physics http://urss.ru/cgi-bin/db.pl?lang=ru&blang=ru&page=Book&id=116893, publié par l’URSS en 2004 (2º édition 2011) et Fundamentals of Cosmic Particle Physics (https://link.springer.com/book/10.1007%2F978-1-907343-72-8#about), publié par CISP – Springer en 2012.

Domaine de recherche : physique de cosmoparticules, matière noire, trous noirs primordiaux, physique de particules élémentaires.

Qu’est-ce la physique de cosmoparticules ?

La physique de cosmoparticules est une science qui étudie les bases du micro et du macro-cosmos et leur relations fondamentales, manifestés dans une combinaison complexe d’effets microphysiques, astrophysiques et cosmologiques. Son apparence est une étape naturelle dans le développement de la cosmologie et de la physique de particules élémentaires, dans lequel leurs constructions théoriques et toute une série de principes fondamentaux sont forcés à dépendre d’idées, procès et phénomènes qui sont inaccessibles à la vérification directe dans le laboratoire et ont besoin, ainsi, d’actions indirectes, y compris des méthodes de recherche astronomique.

Répondre à des questions sur les causes de l’expansion cosmologique, sur l’origine de la matière baryonique et l’existence dans l’Univers d’autres formes de matière non-baryonique, la cosmologie moderne va au-delà du domaine de la physique expérimentale étudiée et attire inévitablement les prédictions de la théorie de particules élémentaires, dont la vérification, à son tour, est fondé sur leurs effets cosmologiques. La sortie de ce cercle vicieux de problèmes est associée avec le développement de la physique de cosmoparticules. La genèse de cette science reflétait l’étape inévitable du développement interne de la cosmologie et de la physique de particules élémentaires.

Quels autres phénomènes observables inexplorés sont intéressés dans la physique de cosmoparticules ?

La physique de la masse des neutrinos et ses manifestations cosmologiques, les bases physiques et possibilités de la recherche astronomique de matière miroir et matière obscure, des neutrinos massifs instables, axions invisibles, flux non équilibré de particules énergétiques dans l’Univers et la théorie de nucléosynthèse cosmique non équilibrée, baryosynthèse non homogène, sources d’anti-nucléons et domaines antimatières dans l’univers asymétrique de baryons, trous noirs primordiaux, une variété de particules de matière noire stables et non-stables est loin d’être une liste complète de ces éléments de l’analyse de la physique de cosmoparticules qui nous aideront à nous approcher à une étude compréhensive de l’Univers et des lois physiques qui ont déterminé leur origine, structure et évolution. Une attention spéciales devrait être portée au rôle de la recherche domestique et l’héritage des écoles scientifiques de la Russie dans la formation de la physique de cosmoparticules, leur importance dans le contexte du développement moderne de la science mondiale.

La barrière la plus importante pour la perception de la physique de cosmoparticules est psychologique. Son sujet de recherche est doublement inusuel. Cette science est intéressé sur les interactions rares inconnues. Événements rares ou une nouvelle interprétation de faits déjà connus est d’intérêt pour l’astronomie. Ça attire et enthousiasme l’imagination comme tout élément exotique. Dans la même mesure, nous la discernons de manière de loin, tout comme un élément exotique, brillant, accrocheur, beau, mais ne donne qu’une légère excitation, qui ne fournit rien à l’esprit et au cœur. L’autre côté de la physique de cosmoparticules qui ne rentre pas dans le cadre de stéréotypes dominants, est l’absence d’essais directs pour vérifier ses idées, le besoin de combiner des méthodes hétérogènes d’observation et d’essai pour cette vérification.

Ça prendra des billions d’années pour essayer la théorie de l’Univers !

Il semble que la logique normale du développement scientifique, qui est l’attente de confirmation expérimentale de chaque hypothèse théorique, ne marche pas ici, étant donné que les hypothèse sont en relation avec des procès dans le monde de particules élémentaires, qui est souvent inaccessible aux études de laboratoire et qui implique des étapes de l’évolution de l’Univers, que nous ne pouvons pas enregistrer directement dans les observations astronomiques.

Cependant, ces barrières peuvent être surmontées. La science assimile des concepts inusuels rapidement et généralement ils sont acceptés et nécessaires, et la méthode de les tester à première vue seulement est remarquablement différente des méthodes validés de recherche dans des laboratoires.

En émergent sur la base des idées de la grande unification des forces fondamentales naturelles, la physique des cosmoparticules combine nécessairement l’analyse avec la synthèse dans sa construction. Ceci est la spécificité ; ou peut-être sa spécificité actuellement.

Historiquement, qu’est-ce qui a développé la relation de l’astronomie et de la physique, ce qui a mené à l’origine de la physique des cosmoparticules ?

La physique des cosmoparticules est un résultat natures du développement interne de la physique de particules élémentaires et de la cosmologie. Cette origine de la science est due à la fusion de deux tendances : le développement de la théorie des particules élémentaires, dont les manifestations non triviales sont révélées actuellement seulement dans des procès d’énergie super-élevées, et l’émergence d’idées sur de nouvelles formes de matière nécessaires pour une description consistante par elle-même de la collection de phénomènes observée dans l’Univers. Une compréhension claire de la relation entre le problème de détermination de la structure du micro-monde et le problème de base de la structure du macro-cosmos a mené la considération conjointe du micro et du macro-cosmos à un nouveau niveau, où se fondent ces tâches, en créant une nouvelle qualité. La structure du micro-monde dans la physique de cosmoparticules est exprimée par l’harmonie de sphères des cieux.

Nous identifions la connexion d’idées entre le micro et le macro-cosmos dans tous les stages de leur développement. Les opinions entre l’univers et ses arcs, comme une seule totalité, pendant longtemps ont été purement spéculatifs. Les sources de ces opinions étaient des observations et des conclusions fondées sur celles-ci.

C’est alors que sont arrivés les instruments optiques qui ont équipé l’œil de l’observateur. Il est intéressant de noter que le même principe physique nous permet de nous approcher à la profondeur des phénomènes avec un microscope et d’élargir la vision du monde avec un télescope. Ce n’est probablement pas une coïncidence que Galilée ait été le scientifique qui donna lieu aux essais physiques et l’astronomie optique. À partir de ce moment l’astronomie optique et les essais physiques se sont développés indépendamment. Leur spécificité fut aussi révélée clairement.

L’astronomie fut seulement observée attentivement dans les manifestation externes d’objets extraterrestres, dont les entrailles sont closes aux yeux, pour observer les résultats des procès, les causes et le cours desquels sont loin d’être contrôlés. Il est possible de fragmenter les objets de la recherche, en creusant dans leur essence dans un essai physique ; vous pouvez changer les conditions initiales et contrôler le procès. Ainsi, il n’est pas surprenant que dans la relation entre l’astronomie et la physique, les scientifiques ont payé plus d’attention au développement du dernier, ce qui détermina le progrès de l’astronomie et le niveau de compréhension des résultats astronomiques.

Ainsi, la physique a investigué la structure des atomes et de leur spectre de radiation ; ceci a équipé l’astronomie avec des méthodes d’analyse spectrales. Les lois physiques de l’interaction et de la radiation de la matière ont formé la base de la compréhension des lois de radiation des étoiles, et le développement de la physique nucléaire a ouvert aux astronomes les sources d’énergie de cette radiation. Nous pouvons compter avec les doigts des signes astrophysiques responsables de gratitude à la physique. Nous pouvons mentionner la découverte d’hélium des lignes d’émission solaires et l’existence du niveau d’excitation du carbone, prédit théoriquement pour expliquer la combustion d’hélium thermonucléaire dans les étoiles entre-elles. Il semblait que l’astrophysique était vouée seulement au développement des lois de la physique confirmées fermement dans les laboratoires, au rôle d’une espèce de polygone qui réfracte les effets connus avec des combinaisons mystérieuses de conditions étranges pour l’étude.

Cependant, l’Univers non-constant apparu devant le regard mental de Friedman dans les années 20 du XXº siècle, et l’observation de Hubble confirma sa variabilité. Au lieu de l’Univers éternel et inchangeable, une image de l’Univers s’est ouverte, en expansion dans un temps fini d’une phase super-dense à un état moderne.

Par conséquent, l’astronomie a proportionné à la physique un accélérateur naturel, dont l’échelle et l’importance devient complètement reconnue par la physique de particules seulement maintenant. La création de la théorie de l’Univers instable était approximativement une décennie en avance du renversement révolutionnaire des années 1930 au sujet des particules élémentaires.

La physique de particules trouva une sortie des problèmes pénibles associés avec la conservation de l’énergie et de l’impulsion dans la décadence bêta, avec une catastrophe de nitrogène et un mystère de la structure du noyau pour refuser l’idée de particules éternelles et inchangeables, dans la transition vers des idées sur la possibilité de leur création et annihilation dans des procès de leurs interactions. Une autre leçon apprise dans les années 1930 était que le nombre de particules élémentaires dans la nature était beaucoup plus importante que ce qu’une image simple et économique de la structure de la matière nécessite.

Des révolutions dans la physique de particules élémentaires et dans la science de l’Univers comme un tout, qu’eut lieu dans la cosmologie dans une décennie, et même si elles ont couvert des domaines de connaissance qui ne se croisaient pas à ce moment, la proximité dans le temps de ces deux événements n’était bien-sûr pas accidentelle. La conscience de l’instabilité de l’Univers a préparé psychologiquement un changement d’idées sur les propriétés des particules élémentaires ; il n’y a pas de place pour des particules éternelles et inchangeables dans l’Univers, qui avec le temps change radicalement son état. En conséquence, il y a un changement d’opinion sur la base de la physique, les lois de la conservation et de l’interaction des particules élémentaires.

Ainsi, la conservation de la charge électrique n’était pas une simple conséquence de la conservation de particules éternelles chargées, mais de normes non-triviales qui déterminent un équilibre strict local de l’annihilation et la création de particules chargées. L’idée d’une charge comme mesure d’interaction électromagnétique a aussi changée d’une caractéristique inhérente d’une particule éternelle et inchangeable à une caractéristique de la loi de transformation, où l’annihilation du début et la création de la fin des particules chargées était accompagnée de la création ou l’annihilation du quantum électromagnétique.

Ce changement de pensée contenait beaucoup d’espace pour les généralisations. Nous pouvions décrire les lois des transformations nucléaires sous l’influence d’interactions fortes et faibles d’une même façon. L’annihilation et la naissance des particules sont accompagnées de ces transformations par la création et l’annihilation de champ quantiques d’interactions fortes et faibles.

Les scientifiques auraient pu prendre un pas logique vers la description uniforme de toutes les interactions fondamentales dans les années 1930, mais en effet, il leur a pris la moitié d’un siècle pour l’implémenter. La difficulté du rythme à une description unifiée de toutes les interactions était due au besoin de combiner la similarité de la description avec la différence dans les propriétés observées de ces interactions. Il fallait expliquer pourquoi l’interaction faible se manifeste seulement dans des distances courtes, dont les particules particulières causent une interaction forte dans sa transformation, et avec ce qui charge l’interaction de son champ quantique.

Cette réponse et d’autres ont formé la base de la théorie moderne des interactions électromagnétiques, fortes et faibles, fondée sur la symétrie des transformations des particules et qui explique les différences observées dans leurs propriétés en rompant cette symétrie. Il était possible, en élargissant la symétrie de passer de l’uniformité de la description des différentes interactions à leur unité fondamentale. Un tel pas, initialement soutenue par l’espérance de la confirmation expérimentale de la décomposition du proton, et par une connexion rigide, concordant avec les données expérimentales, des charges des interactions faibles et électromagnétiques a impliqué un saut dans la théorie à la région des énergies super-élevées, inaccessible à l’étude directe expérimentale.

La théorie perdit le soutien direct dans la physique d’énergie élevée expérimentale avec ce pas. La théorie aurait dû avoir passé de la vérification directe expérimentale normale de ces prédictions à l’analyse de la combinaison des manifestations indirectes de ses constructions fondamentales. Le monde de la physique des énergies élevées qui jusqu’ici comptait sur ses propres capacités expérimentales, a ouvert des méthodes indirectes autorisés d’étude de phénomènes hypothétiques, dont l’étude expérimentale directe n’est pas possible. Dans ce contexte, la relation de la physique de particules avec la cosmologie est de grande importance et devient un pilier nécessaire du développement de la théorie des particules.

Cette relation se développe comme la base nécessaire pour le développement de la cosmologie moderne : la théorie de l’Univers en expansion développée relativement indépendamment au début. La découverte du fond thermique de la radiation électromagnétique en 1965 confirma l’appelé modèle chaude de l’Univers en expansion développé par G. Gamov. La température actuelle de cette radiation est basse (2,7K), la densité de son énergie est basse en comparaison avec la densité en repos des atomes, mais, en suivant la célèbre loi de l’expansion, nous arrivons à l’image non seulement de la densité, mais aussi l’état chaud de la substance avec la densité d’énergie de la radiation dominante.

Les données de l’Univers initial sont très intéressantes. Qu’est-ce « froid » ou « chaud » ?

Ce sont de simples estimations que la matière et la radiation était en équilibre thermodynamique dans l’Univers initial. La combinaison de la loi de l’Univers en expansion avec les lois de la thermodynamique nous ont rendu possible d’obtenir une image close logique de l’évolution de la matière et de la radiation cosmologique, dans lequel les particules élémentaires découvertes par la physique d’énergie élevée ont introduit de petites corrections quantitatives. Les observations astronomiques ont qualitativement confirmé cette image de la transformation du plasma chaud dominé par la radiation dans la structure de matière non homogène moderne pénétrée par une radiation de fond uniforme.

Même si qualitativement intérieurement consistante, cette image nécessaire, cependant il manque de l’information observationnelle sur la spécification de certaines conditions initiales à de très hautes températures et densités au phases très initiales de l’Univers en expansion. Pour justifier ces conditions initiales, la cosmologie aurait dû se tourner vers les hypothèses de la théorie des particules élémentaires qui se sont avérées inaccessibles à la vérification dans les laboratoires.

Sur la base de ces notions de physique de particules, qui ne furent pas vérifiées dans des laboratoires, la cosmologie moderne réussit à justifier les causes de l’expansion et la remarquable homogénéité de la partie observée de l’Univers, ce qui créé une théorie de l’Univers inflationniste, en expliquant son asymétrie baryonique et la nature de petites non-homogénéités initiales, dont leur développement porta à la formation de la structure moderne à grande échelle de l’Univers, quantitativement coordonnant la formation de cette structure avec l’isotropie des vestiges de radiation.

Nous avons réussi les succès de cette cosmologie moderne au prix d’attirer des formes hypothétiques de matière dans la théorie qui déterminait la matière noire de l’Univers dans les différentes phases de son évolution. Ainsi, les bases de la cosmologie moderne inaccessibles à la vérification directe dans les observations astronomiques se fusionne avec les bases de la théorie moderne des particules inaccessible à l’essai direct.

Alors que la physique de particules était limitée à l’étude de transformations individuelles de particules élémentaires connues, un intérêt à un monde comme un tout semblait inutile dans ses constructions théoriques. D’un autre côté, la connaissance des lois de l’évolution générale de l’Univers à première vue avait aussi très peu de relation avec les représentations détaillées de procès individuels de particules élémentaires.

Quel est le rôle de la physique de la particule élémentaire dans la théorie de l’origine de l’Univers et sa structure ?

En revenant aux bases de la symétrie des particules et des conditions initiales de l’Univers en expansion, nous trouvons un lien inextricable entre la physique de particules élémentaires et la cosmologie. Il y a une seule base pour le micro et le macro-cosmos. L’étude de cette base unique dans toutes les variétés de ses manifestations est le sujet de la physique de cosmoparticules.

Sur le chemin d’une description unifiée de la structure du micro et du macro-cosmos, la physique de cosmoparticules combine naturellement des études théoriques, un essai computationnel, et toutes les méthodes possibles d’obtenir information indirecte dans des essais de laboratoires et observations astronomiques.

Ces éléments constituants de la physique de cosmoparticules sont basées sur le progrès du développement de méthodes expérimentales non seulement dans la physique d’énergie élevée, mais aussi dans la cosmologie. La précision élevée, littéralement « astronomique » de déterminer les paramètres de l’Univers en expansion, sa structure et son évolution nous permet de parler de la survenue d’une ère de « cosmologie précise ». La découverte d’ondes gravitationnelles complètent l’étude de l’Univers basée sur les données des rayons cosmiques, sur la radiation cosmique dans différentes fréquences (d’ondes radio à des rayons gamma) et sur les flux de neutrinos cosmiques. Ceci ouvre la voie à l’astronomie multi-messagère qui proportionnera une compréhension complète de la structure des objets astronomiques et de leurs procès astrophysiques.

Comment les essais des grands collisionneurs de hadrons contribuent à la recherche de la physique de cosmoparticules ?

La paradoxe actuelle de la situation est que, même si les bases de la physique de la cosmologie moderne sont fondées sur les extensions des modèles standards de particules élémentaires, les essais des grands collisionneurs de hadrons n’ont pas encore expérimenté des résultats positifs dans la recherche de nouveaux effets (par exemple, de nouvelles particules) prédites dans les versions populaires de ces extensions.

Cependant, l’expérience historique montre que la nature ne justifie jamais nos idées les plus simples sur ses phénomènes. Ainsi donc, le fait que nous habitons dans un Univers plein au 95% de matière et de formes d’énergie inconnues nous fait confier que les méthodes de la physique de cosmoparticules nous aidera à nous approcher à leur nature physique et à maîtriser le pouvoir de ces nouvelles forces fondamentales de la nature.

Interview : Ivan Stepanyan

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