Le modèle standard de la cosmologie nous dit que seulement 4,9% de l'univers est constitué de matière ordinaire (de ce que nous pouvons voir), tandis que le reste est composé de 26,8% de matière noire et de 68,3% d'obscurité. énergie. Comme le nom de ces concepts le suggère, nous ne pouvons pas les voir, leur existence devrait donc découler de modèles théoriques, d'observations de la structure à grande échelle de l'Univers et des effets gravitationnels évidents qui se manifestent sur la matière visible.
Depuis que cela a été évoqué pour la première fois, les spéculations ne manquent certainement pas sur l'apparence des particules de matière noire. Il n'y a pas si longtemps, de nombreux scientifiques ont commencé à penser que la matière noire consiste en des particules massives faiblement interagissantes (WIMP, WIMP), qui sont environ 100 fois la masse d'un proton, mais interagissent comme des neutrinos. Néanmoins, toutes les tentatives pour trouver des WIMP à l'aide d'expériences sur des accélérateurs de particules n'ont abouti à rien. Par conséquent, les scientifiques ont commencé à trier les alternatives possibles à la composition de la matière noire.
Les modèles cosmologiques modernes ont tendance à supposer que la masse de matière noire se situe à moins de 100 GeV (gigaélectronvolt), ce qui correspond aux limites de masse de nombreuses autres particules qui interagissent à l'aide d'une force nucléaire faible. L'existence d'une telle particule correspondrait à une extension supersymétrique du modèle standard de physique des particules. En outre, on pense que de telles particules auraient dû naître dans un univers chaud, dense et ancien, avec la densité de masse de la matière, qui est restée inchangée à ce jour.
Cependant, les expériences en cours pour identifier les WIMP n'ont trouvé aucune preuve concrète de l'existence de telles particules. Celles-ci comprenaient des recherches de produits d'annihilation WIMP (rayons gamma, neutrinos et rayons cosmiques) dans les galaxies et amas proches, ainsi que des expériences de détection directe de particules utilisant des supercolliders comme le LHC.
Par supersymétrie, les wimps s'annihilent entre eux, créant une cascade de particules et de rayonnement, y compris des rayons gamma d'énergie moyenne
Ne trouvant rien, de nombreux scientifiques ont décidé de s'éloigner du paradigme WIMP et de chercher de la matière noire ailleurs. Un de ces groupes de cosmologistes, le CERN et CP3-Origins au Danemark, a récemment publié une étude montrant que la matière noire peut être beaucoup plus lourde et plus faible à interagir qu'on ne le pensait auparavant.
L'un des membres de l'équipe de recherche CP-3 Origins, le Dr McCullen Sandora, a parlé des efforts de son équipe:
Vidéo promotionelle:
«Nous ne pouvons pas encore exclure le scénario WIMP, mais chaque année nous soupçonnons de plus en plus que nous n'avons rien vu. De plus, l'échelle faible habituelle de la physique souffre d'un problème de hiérarchie. On ne sait pas pourquoi toutes les particules que nous connaissons sont si légères, surtout si vous regardez l'échelle naturelle de gravité, l'échelle de Planck, qui est d'environ 1019 GeV. Donc, si la matière noire était plus proche de l'échelle de Planck, elle ne serait pas affectée par le problème de hiérarchie, et cela expliquerait également pourquoi nous n'avons pas vu de signatures associées aux WIMP.
En utilisant un nouveau modèle appelé Planck's Interacting Dark Matter (PIDM), les scientifiques étudient une limite supérieure de la masse de matière noire. Alors que les WIMP placent la masse de matière noire à l'extrémité supérieure de l'échelle électrofaible, l'équipe de recherche danoise de Martias Garney, McCullen Sandora et Martin Slot a proposé une particule avec une masse qui est à une échelle naturelle complètement différente - l'échelle de Planck.
Sur l'échelle de Planck, une unité de masse équivaut à 2,17645 x 10-8 kilogrammes - environ un microgramme, soit 1019 fois la masse d'un proton. À cette masse, chaque PIDM est essentiellement aussi lourd qu'une particule peut l'être avant de devenir un trou noir miniature. Le groupe a également suggéré que ces particules PIDM n'interagissent avec la matière ordinaire que de manière gravitationnelle et que beaucoup d'entre elles se sont formées dans le tout début de l'Univers pendant l'ère de forte chaleur - une période qui a commencé à la fin de l'ère inflationniste, quelque part entre 10-36 et 10- 33 ou 10-32 secondes après le Big Bang.
Cette ère est ainsi appelée parce que pendant l'inflation, les températures de l'espace auraient chuté 100 000 fois. Lorsque l'inflation a pris fin, les températures sont revenues à leur niveau pré-inflationniste (environ 1027 Kelvin). À ce moment-là, la majeure partie de l'énergie potentielle du champ inflationniste s'est désintégrée en particules du modèle standard, qui remplissait l'Univers, et parmi elles, la matière noire.
Naturellement, la nouvelle théorie a son lot de conséquences pour les cosmologistes. Par exemple, pour que ce modèle fonctionne, la température de l'époque de chauffage devait être plus élevée qu'on ne le pense actuellement. De plus, une période de chauffage plus chaude créerait également plus d'ondes gravitationnelles primaires qui seraient reflétées dans le fond cosmique des micro-ondes (CMB).
«Cette température élevée nous apprend deux choses intéressantes sur l'inflation», déclare Sandora. - Si la matière noire est PIDM: d'abord, l'inflation s'est déroulée à des énergies très élevées, ce qui produirait non seulement des fluctuations de la température de l'Univers primitif, mais aussi dans l'espace-temps lui-même, sous forme d'ondes gravitationnelles. Deuxièmement, cela nous dit que l'énergie de l'inflation aurait dû se décomposer en matière extrêmement rapidement, car si cela prenait du temps, l'Univers pourrait se refroidir au point après quoi il ne pourrait plus produire du tout de PIDM.
L'existence de ces ondes gravitationnelles peut être confirmée ou exclue dans de futures études sur le fond cosmique des micro-ondes. Il s'agit d'une nouvelle extrêmement intéressante, car la récente découverte des ondes gravitationnelles devrait conduire à de nouveaux efforts pour détecter les ondes primordiales qui sont enracinées dans la création même de l'univers.
Comme Sandora l'a expliqué, tout cela représente un scénario gagnant-gagnant clair pour les scientifiques, car le nouveau candidat pour la matière noire sera soit découvert soit réfuté dans un proche avenir.
«Notre scénario fait une prédiction à toute épreuve: nous verrons des ondes gravitationnelles dans la prochaine génération d'expériences avec le fond cosmique des micro-ondes. Autrement dit, c’est un gagnant-gagnant: si nous les voyons, tout va bien, et si nous ne les voyons pas, nous saurons que la matière noire n’est pas un PIDM, ce qui signifie que nous devons nous attendre à une partie de son interaction avec la matière ordinaire. Si tout cela se produit dans les dix prochaines années, nous ne pouvons qu'attendre avec impatience."
Depuis que Jacobus Kaptein a suggéré pour la première fois l'existence de la matière noire en 1922, les scientifiques ont recherché des preuves directes de son existence. Une à une, des particules candidates - des gravitinos aux axions - ont été proposées, exclues et laissées dans le domaine de la quête perpétuelle. Eh bien, si ce dernier candidat est refusé ou confirmé sans équivoque, cette option n'est déjà pas mauvaise.
Après tout, s'il est confirmé, nous résoudrons l'un des plus grands mystères cosmologiques de tous les temps. Faisons un pas de plus pour comprendre l'univers et comment ses forces mystérieuses interagissent les unes avec les autres.
