De chercheurs trouvent une nouvelle idée sur la façon dont la matière noire a dominé l’univers

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Une particule de matière noire χ entrant en collision avec une particule de matière ordinaire ψ, peut la transformer en une nouvelle particule de matière noire : χψ→χχ. Ce processus se serait poursuivi jusqu’à ce que l’univers se soit stabilisé à la quantité de matière noire présente aujourd’hui, selon une nouvelle étude.


This image is from NASA Galaxy Evolution Explorer is an observation of the large galaxy in Andromeda, Messier 31. The Andromeda galaxy is the most massive in the local group of galaxies that includes our Milky Way.Cette image provient de la NASA Galaxy Evolution Explorer est une observation de la grande galaxie d’Andromède, Messier 31. La galaxie d’Andromède est la plus massive du groupe local de galaxies qui comprend notre Voie lactée. Date de création : 2003-12-10. © NASA/JPL/California Institute of Technology.

Quatre-vingt-cinq pour cent de la matière dans l’univers est considérée comme de la matière «noire» invisible pour les humains et nos instruments scientifiques. Mais les scientifiques ne savent pas de quoi est faite la matière noire ni comment elle a été créée dans l’univers primitif. Maintenant, un groupe de chercheurs a proposé une nouvelle recette pour la substance mystérieuse: une particule de matière noire entrant en collision avec une particule de matière ordinaire et la transformant en une nouvelle particule de matière noire. Ce processus se serait poursuivi jusqu’à ce que l’univers se soit stabilisé à la quantité de matière noire présente aujourd’hui. “Il existe des millions de modèles pour expliquer la matière noire”, a déclaré Torsten Bringmann, physicien à l’Université d’Oslo en Norvège et l’un des auteurs du nouvel article, publié en novembre dans la revue Physical Review Letters. “Si vous écrivez un modèle, il devrait contenir un mécanisme expliquant comment produire de la matière noire, comment expliquer la seule chose que nous savons à propos de la matière noire, à savoir sa quantité exacte”.

De la certitude aux théories

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Les scientifiques savent que la matière noire doit exister en partie parce que les bords extérieurs des galaxies tournent plus vite que prévu – si vite que, sur la base de la quantité de matière ordinaire dans les galaxies, les galaxies devraient se déchirer. Mais heureusement pour nous, ils existent toujours. Donc, il doit y avoir une matière invisible qui aide à les maintenir ensemble. La matière noire a également été indirectement observée dans des amas de galaxies, qui ne devraient pas non plus tenir ensemble, ainsi que dans les fluctuations du rayonnement de l’univers primitif connu sous le nom de fond diffus cosmologique. “C’est assez convaincant qu’il existe une forme de matière noire dans l’univers, et qu’elle forme en fait un composant très important de la matière”, a déclaré Geneviève Bélanger, physicienne au Laboratoire de physique théorique d’Annecy-le-Vieux en France, qui n’a pas contribué au nouveau document.

Bringmann a déclaré qu’il y a environ 20 ans, les physiciens pensaient que la matière noire était très probablement constituée de particules massives hypothétiques mais non observées interagissant faiblement, ou WIMPs. Ces particules interagiraient avec la matière ordinaire via la force faible, qui est l’une des quatre forces fondamentales de l’univers. Bien qu’elle soit en fait plus forte que la gravité, la force faible n’a d’influence qu’au niveau subatomique. Une façon dont WIMPS aurait pu être créée et détruite dans l’univers primitif est par un mécanisme appelé “gel”. Selon cette théorie, les WIMPs de matière noire seraient emballés avec de la matière ordinaire dans un espace dense et chaud dans l’univers primitif, permettant à deux particules de matière noire d’entrer en collision et de se transformer en deux particules régulières, et vice versa.

Au fur et à mesure que l’univers se dilatait et se refroidissait, les particules de matière ordinaires n’auraient pas accès à suffisamment d’énergie pour entrer en collision et créer de la matière noire. Les chances que des particules de matière noire entrent en collision approcheraient également de zéro. “Si l’univers s’étend si rapidement, les chances sont de plus en plus minces que [les particules de matière noire] se rencontrent”, a déclaré Bringmann. Au fil du temps, la quantité de matière noire dans l’univers se stabiliserait. L’existence possible de WIMPs est également suggérée par des théories distinctes en physique des particules. Mais les physiciens utilisent des collisionneurs de particules et des détecteurs souterrains pour rechercher des WIMP depuis des années, et ils n’en ont pas encore repéré.

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Cela ne veut pas dire que les WIMP n’existent pas. Howard Baer, ​​un physicien de l’Université de l’Oklahoma, qui n’a pas contribué à l’article, a déclaré qu’il était possible que les WIMPS existent mais évitent d’être détectés. Mais Bélanger a déclaré que parce que personne n’a encore vu de WIMP, “les gens commencent à explorer des alternatives pour expliquer cette matière noire”. Une autre explication de la production de matière noire est un mécanisme de «freeze-in» ou gel. Cette hypothèse suggère qu’il existait peu ou pas de matière noire au début de l’univers, et que la matière standard et les particules de matière noire sont reliées par une nouvelle force non découverte qui est plus faible que la force faible. Dans le cas du gel, les particules de matière standard entreraient en collision et produiraient de la matière noire au fil du temps, se stabilisant finalement à la quantité de matière noire dans l’univers aujourd’hui.

La nouvelle théorie

Comme le mécanisme de gel, le nouveau mécanisme proposé par Bringmann et ses collègues commence par une petite concentration de particules de matière noire et des interactions entre les particules qui sont plus faibles que la force faible. Mais au lieu de prétendre que les collisions de matière standard créent de la matière noire, ils suggèrent qu’une matière noire et une particule de matière standard pourraient entrer en collision et produire deux particules de matière noire. Cela conduirait à une croissance exponentielle de la quantité de matière noire, car une quantité croissante de matière noire entre en collision avec la matière ordinaire et produit de plus en plus de matière noire. “Une fois que vous entrez dans ce genre de stade d’auto-reproduction, il va simplement exploser”, a déclaré Bringmann à propos du mécanisme proposé. Bélanger a déclaré que le mécanisme est “une alternative parfaitement viable, et c’est intéressant à considérer”.

Les chercheurs doivent maintenant adapter ce mécanisme à un modèle plus large de l’évolution de la matière noire dans l’univers primitif, a déclaré Nausheen Shah, physicien à la Wayne State University de Detroit, Michigan, qui n’a pas contribué au nouvel article. Shah a également déclaré que bien qu’il faille davantage de construction de modèles, les auteurs présentent les bases d’un modèle simple et intrigant dans le document qui pourrait fonctionner. Pour tester un modèle, les chercheurs peuvent rechercher ce que le modèle implique qu’ils devraient voir dans l’univers aujourd’hui. Bringmann a déclaré qu’il pourrait être possible de soutenir le modèle simple en détectant des distorsions particulières dans le fond diffus cosmologique.

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Voir la communication scientifique, “A New Idea for How Dark Matter Came to Dominate the Universe”, publiée par INSIDE SCIENCE.

Voir la publication

Torsten Bringmann, Paul Frederik Depta, Marco Hufnagel, Joshua T. Ruderman, and Kai Schmidt-Hoberg. Dark Matter from Exponential Growth. Phys. Rev. Lett. 127, 191802 – Published 3 November 2021; Erratum Phys. Rev. Lett. 128, 069901 (2022).

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