Un nouveau modèle de matière noire suggère un nouveau candidat pour les particules constitutives de cette mystérieuse forme de matière qui pourrait signifier qu’elle est détectable par de futures expériences.
Bien qu’ils constituent 85 % de la matière de l’univers, matière noire est resté frustrant grâce au fait qu’il ne semble pas interagir avec la lumière comme le fait la matière quotidienne “normale” qui compose étoilesplanètes et nous. La seule façon dont la matière noire peut être déduite actuellement est par son interaction avec la gravitéavec cette influence gravitationnelle empêchant littéralement les galaxies de se déchirer lorsqu’elles tournent.
Le nouveau modèle suggère que la matière noire pourrait être composée de ce que ses auteurs appellent des reliques de particules hautement interactives, ou HYPERs. Ce nouveau modèle suggère qu’après la formation de la matière noire au début universla force avec laquelle il interagit avec la matière baryonique de tous les jours aurait augmenté brusquement. Ce modèle HYPER aurait pour conséquence de rendre la matière noire détectable à l’époque actuelle de l’univers tout en offrant une explication de la raison pour laquelle la matière noire est si abondante.
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Le nouveau modèle a été conçu par le chercheur postdoctoral PRISMA+ Cluster of Excellence, Gilly Elor, aux côtés des scientifiques de l’Université du Michigan, Robert McGehee et Aaron Pierce.
“Le modèle HYPER de la matière noire pose et répond à la question : à quel point la matière noire lumineuse peut-elle être ‘hyperactive’ ?” McGehee a déclaré à Space.com. “Plus techniquement, à quelle fréquence pourrions-nous trouver de la matière noire légère se dispersant sur les noyaux dans des expériences de détection directe dans un avenir proche qui sont sensibles à la matière noire plus légère qu’un proton.”
L’un des principaux suspects actuels dans la chasse aux candidats à la matière noire, sont soi-disant “Particules massives à faible interaction” ou ” WIMPs “. Le fait que la recherche de ces particules massives et d’autres ait été infructueuse a conduit les chercheurs à commencer à proposer des particules plus légères comme les HYPER comme candidats à la matière noire.
De plus, les recherches actuelles sur la matière noire ont tendance à négliger l’idée des transitions de phase, le changement d’un état physique à un autre tel que le passage d’un solide à un liquide, qui sont courants dans la matière de tous les jours.
Le modèle HYPER repose plutôt sur une transition de phase, exigeant une transition dans l’univers primitif qui modifie la façon dont la matière noire et la matière de tous les jours interagissent. L’équipe à l’origine du modèle HYPER pense que ce changement d’état pourrait signifier que la matière noire pourrait en fait être détectable dans l’univers tel qu’il est aujourd’hui.
“Nous avons découvert que des modèles concrets d’une telle matière noire pourraient être réalisés si une nouvelle transition de phase spéciale se produisait dans l’univers primitif”, a déclaré McGehee.
Le “meilleur des deux mondes” pour la matière noire
Le défi auquel sont actuellement confrontés les modèles potentiels de matière noire est que s’ils suggèrent que la matière noire interagit fortement avec la matière baryonique, alors la quantité de matière noire formée dans l’univers primitif serait trop petite pour se conformer à nos observations de l’univers. À l’inverse, les modèles qui produisent la bonne quantité de matière noire suggèrent des interactions avec la matière baryonique qui sont trop faibles pour être détectées expérimentalement aujourd’hui.
Le modèle HYPER avec sa transition de phase suggère un seul changement brusque dans l’interaction entre la matière noire et la matière baryonique. Cela permet à ce que McGehee a appelé “le meilleur des deux mondes” – à la fois la bonne quantité de matière noire à créer et une interaction suffisamment importante avec la matière quotidienne pour être détectable.
Interactions dans la physique des particules nécessitent un “médiateur”, une particule messagère spécifique, généralement des bosons porteurs de force tels que les photons, qui sont des particules messagères de force électromagnétiqueprocéder.
Les interactions entre la matière noire et la matière ordinaire nécessiteraient également un médiateur. La force de l’interaction dépendrait de la masse de la particule médiatrice, une masse plus grande signifiant une interaction plus faible. Ainsi, le médiateur dans ce cas doit être suffisamment lourd pour que la bonne quantité de matière noire se forme, tout en étant suffisamment léger pour permettre une interaction détectable avec la matière.
La transition de phase susmentionnée dans le modèle HYPER voit la masse de la particule médiatrice diminuer soudainement, ce changement se produisant après la formation de matière noire. Cela permet de créer la quantité déduite, tout en permettant simultanément une interaction renforcée avec la matière ordinaire qui conduit à des événements de diffusion qui pourraient permettre à la matière noire d’être directement détectable.
Bien que le modèle HYPER puisse résoudre certains des défis associés au développement d’un modèle de matière noire, sa création était tout sauf facile.
“Une chose qui m’a choqué dans cette recherche, c’est à quel point il était difficile de contourner les contraintes habituelles sur la matière noire”, a déclaré McGehee. “Quand j’ai pensé pour la première fois à la façon dont une transition de phase pourrait contourner des contraintes cosmologiques strictes et fournir une référence sérieuse en matière de matière noire, j’étais extrêmement excité et je m’attendais naïvement à écrire un article dans un délai de quelques mois.
“Des années plus tard, mes collaborateurs et moi avions découvert que même l’hypothèse de cette transition de phase n’était pas suffisante pour garantir une protection contre les nombreuses limites sérieuses auxquelles tout nouveau modèle de matière noire doit faire face et surmonter.”
McGehee a souligné que si une future expérience de détection de matière noire voyait ce qui semble être une matière noire assez claire se diffusant fréquemment sur les noyaux, le modèle HYPER pourrait être le seul modèle disponible pour les physiciens pour expliquer cette observation.
“Ce serait une circonstance extrêmement excitante pour moi et mes co-auteurs”, a-t-il conclu.
Les recherches de l’équipe sont publiées dans la revue Lettres d’examen physique. (s’ouvre dans un nouvel onglet)
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