Des calculs automatisés pour faire avancer la physique des particules et la cosmologie
Un nouvel outil au service de la physique théorique
Porté par Jacopo Ghiglieri, chercheur en physique théorique à Subatech, avec la collaboration de Killian Bouzoud et Greg Jackson, le projet AUTOTHERM (Automated Thermal Field Theory for Cosmology) a débuté en janvier 2023. Son objectif : développer un outil informatique capable d’automatiser le calcul des taux de production et d’interaction des particules dans un environnement à très haute température, tel que celui qui caractérisait l’Univers primordial. Ces calculs sont essentiels pour tester les modèles théoriques qui cherchent à expliquer les phénomènes encore inexpliqués par le modèle standard de la physique des particules. Bien que ce dernier décrive avec une grande précision les particules élémentaires et leurs interactions, il ne permet notamment pas d'expliquer la masse des neutrinos ni de rendre compte de l'ensemble des observations cosmologiques. Les physiciens cherchent donc à développer de nouvelles théories, appelées extensions du modèle standard. Pour les confronter aux observations expérimentales et cosmologiques, ils doivent être capables de réaliser des calculs théoriques toujours plus précis.
Adapter les outils de calcul aux conditions de l’Univers primordial
Si de nombreux outils informatiques existent déjà pour effectuer des calculs en physique des particules, ils ont principalement été conçus pour les expériences de collisionneurs, où les effets de la température sont généralement négligeables. Or, dans l’Univers primordial, la température joue un rôle fondamental. Durant ses premières phases d’évolution, l’Univers était extrêmement chaud et dense, constitué d’un ensemble de particules en interaction permanente, souvent décrit comme une « soupe de particules ». Le projet AUTOTHERM a ainsi permis d'adapter des outils de calcul existants à la physique des champs thermiques. L'algorithme développé automatise une grande partie des calculs et peut être appliqué à une large classe de modèles théoriques, y compris par des chercheurs qui ne sont pas nécessairement spécialistes de cette discipline. Cette automatisation représente un gain de temps important et permet également de vérifier, de reproduire et parfois de corriger des résultats de calculs antérieurs.
De nouvelles perspectives pour la recherche en cosmologie
Les développements réalisés dans le cadre du projet ont donné lieu à deux publications sous forme de prépublications (preprints) : l'une présente le fonctionnement et l'utilisation du code, tandis que l'autre illustre ses capacités à travers plusieurs applications et la reproduction de calculs existants. Une galerie d'exemples est également accessible en ligne afin de présenter les modèles étudiés et les résultats obtenus grâce à cet outil. En facilitant l'exploration de nouvelles extensions du modèle standard, AUTOTHERM contribue à faire progresser les recherches à l'interface entre physique des particules et cosmologie. À terme, ces travaux pourraient aider les chercheurs à mieux comprendre l'histoire thermique de l'Univers et les phénomènes physiques qui ont marqué ses premiers instants.
Une belle illustration de la contribution de l'équipe théorie de Subatech au développement de nouveaux outils au service de la recherche fondamentale !
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