A NASA graphic depicting a galaxy with a red half-circle superimposed over it to represent the mass of dark matter believed to be found there.

La matière noire «  lourde  » déchirerait notre compréhension de l’univers à part, suggèrent de nouvelles recherches

Par Anissa Chauvin

La matière noire ne peut pas être trop lourde ou il pourrait briser notre meilleur modèle de l’univers, suggère de nouvelles recherches.

Nous avons une abondance de preuves que quelque chose de poisson se produit dans l’univers. Les étoiles orbitent dans les galaxies beaucoup trop rapidement. Les galaxies se déplacent à l’intérieur des grappes beaucoup trop rapidement. Les structures grandissent et évoluent trop rapidement. Si nous ne comptant que la question que nous pouvons voir, il n’y a tout simplement pas assez de gravité pour expliquer tous ces comportements.

La grande majorité des cosmologues croient que tous ces phénomènes peuvent s’expliquer par la présence de matière noire, une forme hypothétique de matière qui est massive, électriquement neutre et à peine, voire jamais, interagit avec la matière normale. Cette matière noire constitue la majeure partie de la masse dans l’univers, l’emportez loin sur la quantité de matière lumineuse.

L’identité de la matière noire reste un mystère, car des expériences conçues pour détecter une collision errante et rare n’ont pas réussi à présenter quoi que ce soit. Mais ces expériences se sont concentrées sur le ciblage d’une plage de masse spécifique: environ 10 à 1 000 volts d’électrons Giga (GEV). (Un GEV équivaut à 1 milliard d’électrons volts.) C’est dans la gamme des particules les plus lourdes connues, comme le boson W et le quark supérieur. Pendant des décennies, les théoriciens ont favorisé cette gamme de masse car plusieurs extensions simples du modèle standard de physique des particules ont prédit l’existence de telles particules.

Parce que nous n’avons encore rien trouvé, nous avons commencé à nous demander si la matière noire pourrait être plus claire ou plus lourde que nous le pensions. Mais la matière noire plus lourde se heurte à des questions graves, selon un nouvel article publié dans la base de données Preprint Arxiv.

Le problème est que la matière noire interagit parfois avec la matière normale, ne serait rarement que rarement. Mais dans l’univers précoce, lorsque le cosmos était beaucoup plus chaud et plus dense, ces interactions étaient beaucoup plus fréquentes. Finalement, à mesure que l’univers se développait et se refroidit, ces interactions ont ralenti, puis s’arrêtaient, conduisant la matière noire à « geler » et restent silencieuses en arrière-plan.

Bien qu’il existe de nombreux modèles de candidats potentiels de matière noire, beaucoup interagissent avec des particules régulières à travers des échanges impliquant le boson de Higgs – une particule fondamentale qui interagit avec presque toutes les autres particules et, à travers ces interactions, imprègne ces particules de masse.

Nous connaissons la masse du boson de Higgs: environ 125 Gev. Les chercheurs ont constaté que cette masse met une limite supérieure fondamentale à la masse possible de la plupart des candidats à la matière noire.

Le problème est que toutes les interactions en physique sont des rues à double sens. Les Higgs parlent à la fois à la matière noire et à la matière régulière et, dans de nombreux modèles, intervient les interactions entre elles. Mais les deux types de matière parlent également aux Higgs. Ces interactions apparaissent comme de légères modifications à la masse du boson de Higgs.

Pour les particules de modèle standard, nous pouvons calculer ces corrections et les interactions de rétroaction, c’est comment les théoriciens ont prédit la masse du boson de Higgs bien avant sa détection.

Les chercheurs ont constaté que si la particule de matière noire avait une masse supérieure à quelques milliers de GEV, sa contribution à la masse de Higgs serait incroyablement importante, l’éloignant de sa valeur observée. Et parce que les Higgs sont si centraux pour déterminer de nombreuses autres physiques fondamentaux, il fermerait essentiellement les interactions des particules.

Il y a cependant des possibilités de contourner cette restriction. La matière noire pourrait ne pas interagir du tout avec les particules régulières, ou l’interaction peut se produire par un mécanisme exotique qui n’implique pas les Higgs. Mais ces modèles sont rares et nécessitent beaucoup de réglages fins et d’étapes supplémentaires.

Ou il se pourrait que la matière noire soit plus claire que nous ne le pensions. Si nous ne pensons pas que Heavy Dark Matter est un candidat viable, alors alors que nous continuons à en savoir plus sur cette composante mystérieuse de l’univers, nous pouvons plutôt concentrer nos efforts dans l’autre sens. Il y a déjà eu une vague d’intérêt pour les axions, des particules ultra-légères qui sont prévues dans certains modèles de physique des particules et pourraient être un candidat viable de matière noire.

Du côté expérimental, si ce résultat est confirmé et tient une restriction répandue sur la masse des particules de matière noire, nous pouvons affiner et repenser nos expériences pour rechercher des particules de masse basse, au lieu de masse élevée.

Publié à l’origine sur Space.com.

Anissa Chauvin