Laboratoire de Physique
Theorique d'Orsay

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Cosmologie / Cosmology

Le groupe de cosmologie et graviation a des thèmes de recherche variés dans le but commun de relier les observations et expériences concernant l’univers primordial avec les idées les plus récentes en physique théorique. Il poursuit une collaboration active avec les groupes expérimentaux du LAL et de l’IAS.

The cosmology and gravitation group has various themes of research, aiming at relating observations and experiments on the primordial Universe with the most recent ideas on theoretical physics. They have active collaborations with LAL and IAS experimental groups.


Neutrinos et leptogénèse

Avec trois familles de neutrinos, il est très difficile d’engendrer à l’échelle du TeV l’asymétrie nécessaire à la leptogénèse. Un remède proposé par A. Abada est un modèle à quatre singlets de jauge (neutrinos droits) impliquant 4 familles. Il devient possible de générer une asymetrie satisfaisante pour la leptogenèse, compatible avec les observations actuelles sur le rapport des densités de baryons et de photons ainsi que sur les masses des neutrinos gauches.

Univers primordial

Il est maintenant averé que l’Univers est en expansion et que dans le passé il fut beaucoup plus chaud et plus dense qu’actuellement. Ainsi on peut maintenant affirmer que dans le passé, 1) l’Univers a atteint des temperatures superieures a 10^10 deg Kelvin, 2) qu’il était en équilibre thermique a 10^-5 près, et 3) qu’il était homogène et isotrope également à 10^-5 près, car le spectre des inhomogénéités est invariant d’échelle. Reste à élaborer des scénarios cosmologiques de l’Univers qui précédent la période décrite par le modèle cosmologique standard. En effet ce modèle ne peut expliquer l’origine des trois points ci-dessus. Ils doivent donc être considerés comme les conditions initiales du modèle standard qu’il convient d’obtenir à partir de scénarios cosmologiques de l’univers primordial.

Le scénario dit de l’inflation cosmologique (expansion accélérée) est le seul dont nous disposons ajourd’hui pour comprendre l’origine des trois propriétés clés, et plus particulièrement les propriétés aujourd’hui observées du spectre des inhomogénéités primordiales. La plupart des travaux du groupe de cosmologie du LPT concernent l’inflation.

Trous noirs

Nous étudions des solutions exactes des trous noirs à dimensions supérieure à quatre ainsi que la généralisation des théorèmes classiques des trous noirs à plus grand dimensions et leur application à la physique des dimensions supplémentaires. Nous travaillons en particulier à la recherche des trous noirs de symétrie axiale et statique (ou stationaire) qui généralisent des trous noirs en accélération (ou en rotation) à 4 dimensions. Ces solutions sont particulièrement intéressantes car ils peuvent avoir des topologies exotiques, peuvent décrire la gravitation d’un trou noir localisé sur une brane et en principe auront une explication holographique par la correspondance AdS/CFT.

Fond diffus cosmologique

Nous nous intéressons aux prédictions des modèles de l’univers primordial pour les anisotropies de temperature et de polarisation du fond diffus, car elles constituent des contraintes particulièrement fortes pour les modèles cosmologiques. Il est devenu très difficile de proposer de modèles nouveaux sans contredire les données déjà à notre disposition, et ce sera encore plus difficile avec les données à venir. Il est à noter que les simples modèles de l’inflation semble pouvoir s’accorder avec toutes les données à notre disposition. Reste à savoir si cet accord persistera face aux nouvelles données.

Le LPT fait partie de la collaboration HFI sur le satellite PLANCK qui sera lancé en 2008. Nous travaillons étroitement avec les équipes PLANCK à l’IAS, au LAL à Orsay et l’équipe à l’IAP à Paris.

Dimensions supplémentaires et modifications de la gravité

Le groupe de cosmologie du LPT s’intéresse activement dans le domaine de la gravitation des dimensions supplémentaires et en particulier aux modifications qui peuvent être portées à la théorie d’Einstein aussi bien dans le ultraviolet (à de petits distances) que dans l’infra-rouge (à de très grandes distances). Cette recherche dans le domaine de très hautes énergies où la gravité devient comparable aux autres forces fondamentales est motivée d’une part par des théories qui proposent l’unification de la gravitation avec les autres forces de la nature, comme les theories des cordes qui vivent par construction dans plus de 4 dimensions, et d’autre part, dans le domaine de l’infrarouge, par de récentes observations qui montrent que notre univers est en accélération.

Ainsi, soit une partie dominante de notre univers n’est pas comme la matiere qu’on observe (physique des accelerateurs) soit la gravitation elle-même est modifiée à ces échelles. Le groupe étudie ainsi des théories (solutions exactes, propriétés, stabilité de modèles) qui à plus grand nombre des dimensions generalise la theorie d’Einstein à 4 dimensions. Nous menons aussi une recherche très active dans le domaine des univers branaires dans lesquels notre univers quadri-dimensionel est un sous-espace de l’espace-temps total. Nous recherchons à établir en particulier les perturbations cosmologiques des branes ainsi que des solutions exactes correspondant par exemple aux trous noirs localisés sur une brane. Ceci dans le but de tester ces théories par rapport à des observations cosmologiques, les contraindre ou les éliminer.

Astroparticules

Y. Mambrini étudie des modèles inspirés de la théorie des cordes, qui se situent dans un cadre plus général des théories supersymétriques. Les observations en astroparticules et cosmologie fournissent des renseignements précieux sur ces théories, de façon complémentaire aux expériences sur accélérateur. Cette complémentarité servira à majeur identifier et restreindre les paramètres fondamentaux de la théorie sous-jacente. Y. Mambrini s’intéresse en particulier au problème de la matière noire en cosmologie : il pourrait s’agir d’une particule massive interagissant faiblement (WIMP), par exemple la particule supersymétrique la plus légère. Une telle particule, liée aux modèles supersymétriques, est a priori détectable dans les collisionneurs de haute énergie et peut donc y être étudiée.


Neutrinos and leptogenesis

With three families of neutrinos, it is very difficult to create the asymmetry needed for leptogenesis at the TeV scale. A remedy proposed by A. Abada is a four-singlet model (right-handed neutrinos) with 4 families. It is possible to generate a satisfying asymmetry for leptogenesis, compatible with the current observations on the ratio of the densities of baryons and photons and on the left-handed neutrinos.

Primordial Universe

The Universe is known to be expanding, and it was hotter and denser in the past. We can say that in the past, 1) the Universe reached temperatures above 10^10 deg Kelvin, 2) it was in thermica equilibrium at 10^-5, and 3) it was homogenous and isotropic at 10^-5 près, due to the scale invariance of the inhomogeneity spectrum. We still have to design cosmological scenarios of the Univers for the period beofre the cosmological standard model. Indeed, this model does not account for the origin of the three previous points, which must be considered as initial conditions.

The scenario of cosmological inflation (accelerated expansion) is the only one available to understand these properties, and more specifically the observed properties of the inhomogeneity spectrum. Most of the work of the cosmology group deal with inflation.

Black holes

We study exact solutions of black holes in dimensions above four, as well as the generalisation of classical theorems for black holes to higher dimensions and their application to extra-dimensions. We work in particular on static black holes with axial symmetry, wich generalise accelerating or rotating black holes in 4 dimensions. These solutions may exhibit exotic topologies, they may describe the gravitation of a black hole localised on a brane and they may have a holographic explanation through the AdS/CFT correspondence.

Microwave background

We are interested in the predictions of models for the primordial Universe concerning the anisotropies of temperature and polarisation for the microwave background, since they constitute particularly strong constrains for cosmological models. It has (and will) become more and more difficult to propose new models without contradicting the available data (the simple inflation models seem to cope with all the data currently available).

LPT is part of the HFI collaboration on the PLANCK satellite to be launched in 2008. We work closely with the PLANCK teams at IAS, LAL (Orsay) and IAP (Paris).

Extra-dimensions and modification of gravity

The cosmology group is interested in gravity in extradimensions, and in particular in the modifications that can be brought to Einstein theory both in infrared and ultraviolet regimes (very large and very small distances). This research in the domain of high-energies where gravity becomes comparable to the other fundamental forces is motivated on the one hand by theories proposing the unification of gravity with the other interactions (such as string theories living in more than 4 dimensions), and on the other hand, by recent observations showing that our Universe is accelerating.

Therefore, either the main part of our Universe is not made of observable matter, or gravity itself is modified at these scales. The group studies theories which generalises Einstein theory at 4 dimensions (exact solutions, properties, stability). We work actively on brane universes where our 4-dimensional universe is a subspace of the whole space-time. We want to establish cosmological perturbations of branes and exact solutions corresponding to black holes localised on a brane, with the aim of confronting these results with cosmological observations.

Astroparticles

Y. Mambrini focuses models inspired by string theory, which are situated in a more general framework of supersymmetric theories. Astroparticle and cosmological observations provide information on these theories, complementarily to accelerator experiments, in order to constrain the parameters of the underlying theory. Y. Mambrini is interested in dark matter in cosmology : it could be a weakly interactive massive particle, such as the lightest supersymmetric particle. Such a particle, linked to supersymmetric models, could be detected in high-energy colliders.