Il existe une relation intime entre les domaines de la physique des particules et de la cosmologie, illustrée par une longue lignée de physiciens travaillant simultanément dans les deux domaines : Albert Einstein, Stephen Hawking, Kip Thorne et bien d’autres. La cosmologie est l’étude de l’univers et de sa structure, tandis que la physique des particules est l’étude des particules fondamentales telles que les quarks et les photons, les plus petits objets connus. Bien qu’à première vue, elles puissent sembler aussi déconnectées que tout peut l’être, la cosmologie et la physique des particules sont en fait étroitement liées.
Contrairement aux systèmes complexes sur Terre, qui sont souvent décrits en utilisant des explications de niveau supérieur plutôt que des propriétés émergeant des niveaux les plus bas, les phénomènes intergalactiques et cosmologiques sont comparativement plus simples. Par exemple, dans les vastes distances de l’espace, une seule des quatre forces de la nature a une réelle influence : la gravité. Bien que les étoiles et les galaxies soient très éloignées et plusieurs fois plus grandes que nous, nous avons une image remarquablement précise de leur fonctionnement, dérivée des lois physiques fondamentales qui dirigent leurs particules constituantes.
Le domaine de la cosmologie le plus étroitement lié à la physique des particules est l’étude du Big Bang, la gigantesque explosion qui a créé toute la matière de l’univers et l’espace-temps dont l’univers lui-même est composé. Le Big Bang a commencé comme un point de densité quasi infinie et de volume nul : une singularité. Ensuite, il s’est rapidement étendu à la taille d’un noyau atomique, où la physique des particules entre en jeu. Pour comprendre comment les premiers instants du Big Bang ont influencé l’univers tel qu’il est aujourd’hui, nous devons utiliser ce que nous savons de la physique des particules pour créer des modèles cosmologiques plausibles.
L’une des motivations pour créer des accélérateurs de particules toujours plus puissants est de mener des expériences qui simulent les circonstances physiques le plus tôt possible dans l’histoire de l’univers, lorsque tout était très compact et chaud. Les cosmologistes doivent bien connaître la physique des particules pour apporter des contributions significatives dans ce domaine.
Une autre clé pour comprendre la relation entre la physique des particules et la cosmologie est de se pencher sur l’étude des trous noirs. Les propriétés physiques des trous noirs sont pertinentes pour l’avenir à long terme du cosmos. Les trous noirs sont des étoiles effondrées avec une gravité si immense que même la lumière ne peut échapper à leur emprise. Pendant un certain temps, on a pensé que les trous noirs n’émettaient aucun rayonnement, et auraient été éternels, un paradoxe pour les physiciens. Mais Stephen Hawking a théorisé, sur la base des connaissances de la physique des particules, que les trous noirs émettent effectivement un rayonnement, qui a ensuite été surnommé le rayonnement de Hawking.
La physique des particules est également très pertinente dans les enquêtes sur la matière noire, la matière invisible dont l’existence est connue en raison de son influence gravitationnelle sur la matière visible, et l’énergie noire, une force mystérieuse qui imprègne l’univers et accélère son expansion. Ce sont des questions centrales dans la cosmologie moderne.