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Une nouvelle dimension dans la quête pour comprendre la matière noire

Le programme de recherche sur la matière noire de l’UC Riverside cible des hypothèses sur la physique des particules.

Comme son nom l’indique, la matière noire – une matière qui représente environ 85 % de la masse de l’univers – n’émet aucune lumière, défiant ainsi une détection facile. Ses propriétés, aussi, restent quelque peu mystérieuses.

Aujourd’hui, un physicien théorique des particules de l’Université de Californie, Riverside, et ses collègues ont publié un article de recherche dans Journal de physique des hautes énergies Cela montre comment les théories qui postulent un nouveau type de force peuvent aider à expliquer les propriétés de la matière noire.

“Nous vivons dans un océan de matière noire, mais nous savons très peu de choses sur ce que cela pourrait être”, a déclaré Philip Tanido, professeur adjoint de physique et d’astronomie et auteur principal du document de recherche. “C’est l’une des inconnues les plus ennuyeuses connues dans la nature. Nous savons qu’elle existe, mais nous ne savons pas comment la rechercher ni pourquoi elle n’est pas apparue là où nous l’attendions.”

Les physiciens ont utilisé des télescopes, des expériences souterraines géantes et des collisionneurs pour en savoir plus sur la matière noire au cours des 30 dernières années, bien qu’il n’y ait aucune preuve positive. Cependant, des preuves négatives ont forcé des physiciens théoriciens comme Tanido à réfléchir de manière plus créative à ce qu’est la matière noire.

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Flip Tanido est professeur adjoint de physique et d’astronomie à l’Université de Californie à Riverside. Crédit : Thomas Wasper

La nouvelle recherche, qui suggère une dimension supplémentaire dans l’espace-temps pour rechercher la matière noire, fait partie d’un programme de recherche en cours à l’UC Riverside dirigé par Tanido. Selon cette théorie, certaines particules de matière noire ne se comportent pas comme des particules. En effet, les particules invisibles interagissent avec des particules plus invisibles de telle sorte que ces dernières cessent de se comporter comme des particules.

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“L’objectif de mon programme de recherche au cours des deux dernières années est d’étendre l’idée de” parler “de la matière noire aux forces obscures”, a déclaré Tanedou. “Au cours de la dernière décennie, les physiciens ont réalisé qu’en plus de la matière noire, des forces noires subtiles peuvent contrôler les interactions de la matière noire. Celles-ci pourraient complètement réécrire les règles de notre recherche de matière noire. “

Si deux particules de matière noire sont attirées ou se repoussent, alors les forces obscures sont à l’œuvre. Tanedo a expliqué que les forces obscures sont décrites mathématiquement par une théorie des dimensions supplémentaires et apparaissent comme un continuum de particules qui peuvent résoudre les mystères que nous voyons dans les petites galaxies.

“Notre programme de recherche en cours à l’UCSD est une nouvelle généralisation de la proposition de force obscure”, a-t-il déclaré. “Notre univers observable a trois dimensions d’espace. Nous suggérons qu’il existe peut-être une quatrième dimension que seules les forces obscures connaissent. La dimension supplémentaire pourrait expliquer pourquoi la matière noire est si bien cachée à nos tentatives pour l’étudier en laboratoire.”

Flip Tanido, Sylvain Fichte et Hi-Boo Yo

La photo montre Flip Tanido (à gauche), Sylvain Vechet (au centre) et Hai-Bo Yu. Crédit : Flip Tanido, Université de Californie Riverside

Tanedo a expliqué que même si les dimensions supplémentaires peuvent sembler une idée étrange, il s’agit en fait d’une astuce mathématique pour décrire les “théories des champs correspondants” – des théories 3D ordinaires avec une mécanique hautement quantique. Ces types de théorèmes sont mathématiquement riches, mais ne contiennent pas de particules classiques et ne sont donc généralement pas considérés comme appropriés pour décrire la nature. L’équivalence mathématique entre ces théories 3D difficiles et les théories extra-dimensionnelles plus traçables est connue sous le nom de principe de l’hologramme.

“Parce que les théories des champs conformationnels étaient intraitables et inhabituelles, elles n’étaient pas systématiquement appliquées à la matière noire”, a ajouté Tanedou. “Au lieu d’utiliser ce langage, nous travaillons avec la théorie des dimensions 3D supplémentaires.”

La principale caractéristique de la théorie extra-dimensionnelle est que la force entre les particules de matière noire est décrite par un nombre infini de particules différentes de masses différentes appelé un continuum. En revanche, les forces normales sont décrites par un seul type de particule de masse constante. Cette catégorie de secteurs sombres persistants est passionnante pour Tanido car elle fait quelque chose de “nouveau et différent”.

Selon Tanido, les travaux antérieurs sur les secteurs sombres se sont principalement concentrés sur les théories qui simulent le comportement des particules visibles. Son programme de recherche explore des types de théories plus extrêmes que la plupart des physiciens des particules trouvent moins intéressants, peut-être en raison du manque d’analogues dans le monde réel.

Dans la théorie de Tanido, la force entre les particules de matière noire est étonnamment différente des forces ressenties par la matière ordinaire.

“Pour la force gravitationnelle ou la force électrique que j’étudie dans un cours d’introduction à la physique, lorsque vous doublez la distance entre deux particules, vous réduisez la force de quatre fois. D’autre part, la force du continu est réduite d’un facteur huit. “

Quelles sont les implications de cette force obscure extra-dimensionnelle ? Étant donné que la matière ordinaire pourrait ne pas interagir avec cette force sombre, Tanido a eu recours à l’idée d’auto-interaction de la matière noire, une idée lancée par Hai Bo Yu, professeur de physique et d’astronomie à l’UCLA, qui n’est pas co-auteur de le papier. Yu a montré que même en l’absence de toute interaction avec la matière normale, les effets de ces forces obscures peuvent être observés indirectement dans les galaxies sphériques naines. L’équipe Tanido a découvert que la force connectée peut reproduire les mouvements stellaires observés.

“Notre modèle va plus loin et rend plus facile que le modèle de matière noire à interaction automatique pour expliquer l’origine cosmique de la matière noire”, a déclaré Tanedou.

Ensuite, l’équipe Tanido explorera une version continue du modèle du « photon noir ».

“C’est une représentation plus réaliste d’une force obscure”, a déclaré Tanido. “Les photons noirs ont été étudiés en détail, mais notre cadre extra-dimensionnel réserve quelques surprises. Nous examinerons également la cosmologie des forces obscures et la physique des trous noirs.”

Tanedo travaille dur pour identifier les “angles morts” dans la recherche de matière noire de son équipe.

“Mon programme de recherche cible l’une des hypothèses que nous faisons sur la physique des particules : que l’interaction des particules est bien décrite en échangeant plus de particules”, a-t-il déclaré. Bien que cela soit vrai pour la matière ordinaire, il n’y a aucune raison de supposer cela pour la matière noire. Leurs interactions peuvent être décrites comme un continuum de particules échangées plutôt que comme un seul type de particule de force.”

Référence : « Self-interacting dark matter mediated by a continuum » par Ian Chaffee, Sylvain Vechet et Philip Tanido, 1 juin 2021, Journal de physique des hautes énergies.
DOI : 10.1007/JHEP06 (2021) 008

Ian Shafee, chercheur postdoctoral travaillant avec Tanido, rejoint Tanido Research. et Sylvain Fichet, chercheur postdoctoral au Centre international de physique théorique – Institut sud-américain de recherche fondamentale au Brésil.

La recherche a été financée par le département américain de l’Énergie.

Delphine Perrault

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