The WMAP data played a key role in establishing the standard model of the universe. This model explains today a wide set of cosmological and astronomical measurements performed over a large variety of wavelenghts and observation tools : large and small angular scale CMB observations, light elements abundances, large scale structure observations (LSS) and properties of galaxy clusters, Hubble Space Telescope measurements on the Hubble constant, supernova luminosity/distance relations (acceleration of the today universe expansion), and other measurements. The concordance of these data imply that our universe is spatially flat, with gravity and cosmological perturbations described by Einstein General Relativity theory in three spatial dimensions. Our universe is at present dominated by dark energy (72%) consistent with a cosmological constant, supplemented by dark matter (about 23.4 %), and atoms (4.6 %), with density fluctuations seeded by a Gaussian, adiabatic and nearly scale invariant initial process (inflation). Dark energy acts as a form of antigravity and is responsible for the present-day acceleration of the universe. Dark matter is different from atoms, does not emit or absorb light and it has only been detected by its gravitational action. Inflation is the very primordial stage of accelerated expansion of the universe in which the universe size expands at least a factor 1026. Inflation lasts approximately 10-34 seconds and ends at a redshift 1028.

The observed CMB fluctuations are explained by inflation and the concordance model. The microscopic quantum fluctuations at the scale of inflation of 10-27 cm evolve through inflation into macroscopic fluctuations today at astronomical scales 1000 Mpc = 1027 cm. Such spectacular transition from microscopic quantum fluctuations into macroscopic classical fluctuations at astronomical scales is a proper feature to inflation.

Inflation is described by a scalar field (the inflaton) which drives the dynamics of the scale factor of the expanding universe, plus small quantum fluctuations. Inflation solves important issues of standard big bang cosmology and provides a generic mechanism for generating scalar (density) and tensor (gravitational wave) perturbations (see for instance this previous news).

Primordial gravitational waves are a robust prediction of inflation as they are produced by the same mechanism that generated the primordial density fluctuations observed in the CMB and LSS data. Recently, the team performed a new analysis with MCMC runs (Monte Carlo Markov Chains) of all available CMB and LSS data including the WMAP and Sloan data. This new analysis is achieved within the new approach to inflation as an effective theory in the Ginsburg-Landau spirit, that is with fourth degree trinomial potentials in the inflaton field. The Ginsburg-Landau approach is a powerful tool both in elementary particle physics (pion physics) and condensed matter physics (superconductivity and phase transitions). In this new analysis, the precise form of the inflationary potential is constructed by MCMC fitting the WMAP and LSS data.

The team derives explicit formulae for the CMB observables and study them : the spectral index ns of density fluctuations, the ratio r of tensor fluctuations to scalar fluctuations, and the running index d ns/dln k . These analytic formulas have been introduced as hard constraints on ns and r in the numerical programme for the MCMC analysis. This data analysis differs in this crucial aspect from all previous CMB data analysis, in particular from the WMAP analysis (including the just released (march 2008) WMAP 5 years analysis).

In the frame of their model, the new results of the team are as follows :

The data strongly indicate the breaking (whether spontaneous or explicit) of the symmetry of the inflaton potentials The trinomial inflaton potential with two minima (that is the double well potential) naturally satisfies this requirement and provides the best fit to the data The symmetric inflaton potential with only one minimum (potential with positive quadratic term) is almost certainly ruled out (at 95% CL) The preferred inflation trinomial potential is a double well, even function of the field with a moderate quartic coupling y yielding as most probable values : ns 0.958 r 0.055 . This value for r is within reach of forthcoming CMB observations A lower bound for r is found : 0.016 (95% CL) and 0.049 (68% CL). This shows that the amount of tensor fluctuations (primordial gravitational waves) is non zero, in this model. This is an important result since until now, only upper bounds for r have been found, the last being r

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Figure 2 displays the marginalized probability distributions (normalized to have maximum equal to one) of the most relevant cosmological parameters. The solid blue curves refer to the new analysis of the CMB and LSS data done by the team including Inflation. The dashed red curves are those of the analysis done by the WMAP team. The new analysis shows a clear significant improvement in the primordial ns and r observables. For the other cosmological parameters the two analysis agree.

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References

[1] "MCMC analysis of WMAP and SDSS data points to broken symmetry inflaton potentials and provides a lower bound on the tensor to scalar ratio" C. Destri, H. J. de Vega, N. G. Sanchez, Phys. Rev. D 77, 043509 (2008)

Further reading :

[2] "New Inflation vs. Chaotic Inflation, Higher Degree Potentials and the Reconstruction Program in light of WMAP3" D. Boyanovsky H. J. de Vega, C. M. Ho, N. G. Sanchez, Phys. Rev. D 75, 123504 (2007)

[3] "Clarifying Inflation Models : Slow-roll as an expansion in 1/Nefolds and No Fine Tuning", D. Boyanovsky, D. Boyanovsky, H. J. de Vega, N. G. Sanchez, Phys. Rev. D 73, 023008 (2006).

[4] "Single Field Inflation models allowed and ruled out by the three years WMAP data", H. J. de Vega, N . G. Sanchez , Phys. Rev. D 74, 063519 (2006).

Contact

Norma Sanchez (Observatoire de Paris, LERMA, et CNRS)

Dernière modification le 4 mars 2013

Les données de WMAP ont joué un rôle essentiel en établissant le modèle standard de l’univers. Ce modèle explique aujourd’hui un grand ensemble de mesures cosmologiques et astronomiques effectuées sur un grand domaine de longueurs d’onde et d’outils d’observation : anisotropies du CMB, abundance des éléments légers, observations des grandes structures (LSS) et propriétés des amas de galaxies, mesures de la constante de Hubble, accélération de l’expansion d’univers mesurée par les supernovae, et d’autres mesures. La concordance de ces données implique que notre univers est plat, avec des perturbations cosmologiques décrites par la théorie de relativité générale d’Einstein dans trois dimensions spatiales. Notre univers est actuellement dominé par l’énergie noire (72%) équivalente à une constante cosmologique, complétée par de la matière noire (environ 23.4 %), et des atomes (4.6 %), avec des fluctuations de densité engendrées par un processus initial gaussien, invariant d’échelle, et adiabatique (inflation). L’énergie noire agit comme une forme d’anti-gravité et est responsable de l’accélération actuelle de l’expansion de l’univers. La matière noire est différente des atomes, n’émet pas de lumière et elle n’est détectée que par gravité. L’inflation est l’étape primordiale de l’expansion accélérée de l’univers, dans laquelle sa taille croît d’un facteur 1026. L’inflation dure approximativement 10-34 secondes et se termine au redshift 1028.

Les fluctuations du CMB sont expliquées par l’inflation et le modèle de concordance. Les fluctuations quantiques microscopiques à l’échelle de l’inflation de 10-27 cm evoluent en fluctuations macroscopiques aujourd’hui, aux échelles de 1000 Mpc = 1027 cm. Une telle transition entre fluctuations microscopiques et macroscopiques est le caractère propre de l’inflation.

L’inflation est décrite par un champ scalaire (l’inflaton) qui controle la dynamique du facteur d’échelle de l’univers. L’inflation résoud des problèmes importants de la théorie standard du Big-Bang, et fournit un mécanisme générique pour engendrer des perturbations scalaires (densité) et tensorielles (onde gravitationelle) (voir par exemple cette nouvelle précédente).

Les ondes gravitationelles primordiales sont une prévision robuste de l’inflation car elles sont produites par le même mécanisme qui a produit les fluctuations primordiales de densité observées dans les données du fond cosmologique (CMB) et des grandes structures (LSS). Récemment, l’équipe a effectué une nouvelle analyse avec MCMC (Monte Carlo et chaînes de Markov) de toutes les données disponibles du CMB et des LSS comprenant les données de WMAP et Sloan. Cette nouvelle analyse est réalisée dans la nouvelle approche de l’inflation comme théorie efficace dans l’esprit de Ginsburg-Landau, i.e. avec des potentiels trinomials du quatrième degré dans le champ d’inflaton. L’approche de Ginsburg-Landau est un outil puissant dans la physique de particules élémentaires (physique des mésons pi) et la physique de la matière condensée (superconductivité et transitions de phase). Dans cette nouvelle analyse, la forme précise du potentiel inflationaire est construite en ajustant les données de WMAP et de LSS.

L’équipe dérive des formules explicites pour les observables de CMB et les étudie : l’indice spectral ns des fluctuations de densité, le rapport r des fluctuations tensorielles/ scalaires, et l’indice courant d ns/dln k . Ces formules analytiques ont été présentées en tant que contraintes dures sur ns et r dans le programme numérique de l’analyse MCMC. Cette analyse de données diffère dans cet aspect crucial de toutes les analyses de données précédentes, en particulier de l’analyse de l’équipe WMAP (mars 2008).

Dans le cadre de leur modèle, les nouveaux résultats de l’équipe sont les suivants :

Les données indiquent fortement la brisure (spontanée ou explicite) de la symétrie des potentiels d’inflation

Le potentiel trinomial d’inflaton avec deux minima (c’est àdire le puits de potentiel double) répond naturellement àcette exigence

et fournit le meilleur ajustement aux données

Le potentiel symétrique d’inflaton avec seulement un minimum (potentiel avec le terme quadratique positif) est presque certainement éliminé (au CL de 95%)

Le potentiel trinomial préféré d’inflation est un double puits, fonction paire du champ avec un couplage quartique modéré y avec les valeurs les plus probables : ns 0.958 r 0.055 . Cette valeur de r est àla portée des prochaines observations du CMB

Une limite inférieure pour r est trouvée : 0.016 (95% CL) and 0.049 (68% CL). Ceci prouve que la quantité de fluctuations tensorielles (ondes gravitationelles primordiales) est non nulle, dans ce modèle. C’est un résultat important car jusqu’àprésent seulement des limites supérieures pour r ont été trouvées, la dernière étant r

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Figure 2 montre les distributions de probabilité marginalisées (normalisées pour avoir un maximum égal à un) des paramètres cosmologiques les plus appropriés. Les courbes solides bleues représentent la nouvelle analyse, les pointillés rouges celle de l’équipe WMAP. La différence est marquée pour les observables

ns et

r . Pour les autres paramètres cosmologiques, les deux analyses concordent.

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Références

[1] "MCMC analysis of WMAP and SDSS data points to broken symmetry inflaton potentials and provides a lower bound on the tensor to scalar ratio" C. Destri, H. J. de Vega, N. G. Sanchez, Phys. Rev. D 77, 043509 (2008)

Further reading :

[2] "New Inflation vs. Chaotic Inflation, Higher Degree Potentials and the Reconstruction Program in light of WMAP3" D. Boyanovsky H. J. de Vega, C. M. Ho, N. G. Sanchez, Phys. Rev. D 75, 123504 (2007)

[3] "Clarifying Inflation Models : Slow-roll as an expansion in 1/Nefolds and No Fine Tuning", D. Boyanovsky, D. Boyanovsky, H. J. de Vega, N. G. Sanchez, Phys. Rev. D 73, 023008 (2006).

[4] "Single Field Inflation models allowed and ruled out by the three years WMAP data", H. J. de Vega, N . G. Sanchez , Phys. Rev. D 74, 063519 (2006).

Contact

Norma Sanchez (Observatoire de Paris, LERMA, et CNRS)

Dernière modification le 22 février 2013