Ils recherchent de la matière noire sur Terre, sous terre et dans l'espace. Ses particules mystérieuses sont invisibles aux instruments scientifiques et ne se manifestent nulle part. Cependant, une solide «base de preuves» a été recueillie en faveur de leur existence. Les scientifiques ont-ils une chance de découvrir un jour de la matière noire?
Un élément clé de l'univers
Des particules de matière noire sont nées peu de temps après le Big Bang, lorsque l'univers était un plasma chauffé au rouge. En se refroidissant, ils ont formé des amas qui ont finalement permis l'émergence d'étoiles et de galaxies. Si le plasma ne contenait que des particules ordinaires qui composent les atomes, le rayonnement les repousserait les uns des autres, ne leur permettant pas de former des structures. Les objets liés gravitationnellement sont apparus assez rapidement, ce qui signifie que quelque chose les aidait. Une substance massive les a retenus. Maintenant, il n'interagit en aucune façon avec la matière ordinaire, ne rayonne pas, donc nous ne l'observons par aucune méthode.
C'est ainsi que les scientifiques reconstruisent l'évolution de l'Univers, qui serait incomplète sans la participation de la matière noire. Cette conclusion a été tirée dans les années 1930 par l'astronome suisse Fritz Zwicky. En étudiant les amas de galaxies, il se demanda pourquoi ils ne se dispersaient pas. Après tout, la masse des galaxies visibles n'est pas suffisante pour contenir l'amas. Par conséquent, il doit y avoir une masse cachée. Plus tard, cette hypothèse a trouvé de nombreuses confirmations des anomalies dans les taux de rotation des galaxies: les parties des disques éloignées du centre ralentissent à peine, comme elles le feraient si elles n'étaient constituées que d'étoiles.
La lentille gravitationnelle permet de détecter indirectement la présence de masse cachée. Cet effet est créé par deux galaxies massives situées l'une derrière l'autre. La lumière d'une galaxie lointaine est courbée par le champ gravitationnel d'une galaxie proche et, comme dans une lentille, son image apparaît. Cela donne un aperçu de la matière noire des galaxies formant un énorme halo invisible autour d'elles. À l'aide de divers modèles, les scientifiques calculent la distribution de la densité de la matière noire dans le halo et, sur cette base, font des suppositions sur la structure.
Sur la gauche - halo de matière noire dans la galaxie NGC 4555.
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Composition de matière noire
Les physiciens ont tendance à croire que la matière noire est constituée de particules inconnues de nous.
«Les méthodes d'observation astrophysiques ne disent rien sur leurs propriétés. Il est possible qu'ils n'interagissent d'aucune façon, sauf pour la méthode gravitationnelle. Peut-être que ni les expériences directes sur Terre, ni les observations dans l'espace ne mèneront à quoi que ce soit. Il faut toujours garder cela à l'esprit », déclare Dmitry Gorbunov, membre correspondant de l'Académie russe des sciences, chercheur en chef de l'Institut de recherche nucléaire de l'Académie russe des sciences auprès de RIA Novosti.
Les candidats au rôle des particules sombres comprennent les axions ultralégers, les particules à faible interaction (WIMP) et les neutrinos stériles qui aident à expliquer la masse et l'oscillation des neutrinos solaires.
«Le neutrino stérile le plus léger pourrait bien être une particule de matière noire. Ce n'est pas stable, mais il vit très longtemps. Dans la galaxie, ces particules devraient se désintégrer en neutrinos et en photon. Ils tournent lentement (10 à 3 fois la vitesse de la lumière), donc un pic dans la gamme des rayons X est attendu dans le spectre des photons », explique le scientifique.
Selon lui, un bon spectromètre devrait être mis en orbite pour tenter d'enregistrer de tels événements.
Il y a deux ans, Gorbunov et ses collègues ont modélisé l'une des hypothèses sur une composante instable de la matière noire pour expliquer l'écart dans les résultats de l'expérience du télescope spatial Planck, qui mesurait le rayonnement relique. C'était peut-être une erreur, ou peut-être une indication d'une propriété de la matière noire. Les scientifiques ont suggéré que la substance sombre est de composition hétérogène et qu'une partie n'a pas survécu à ce jour.
À la recherche de particules sombres
Comment capturer les particules de matière noire est l'une des questions clés de la physique. De nombreux théoriciens et expérimentateurs tentent d'y répondre. Le mode d'observation dépend du modèle, dans lequel toutes les propriétés de la particule hypothétique sont posées. Si nous supposons que la matière noire était en équilibre dans le plasma de l'Univers primitif - et qu'il y avait aussi des particules ordinaires - cela signifie qu'elle interagit d'une manière ou d'une autre avec elles. De tous les types d'interactions connus, à l'exception de la gravitationnelle, la plus appropriée est la plus faible, qui se produit pendant la désintégration bêta d'un noyau atomique.
«Dans cette hypothèse, une fois le plasma primaire refroidi, la quantité requise de matière noire demeure», explique Dmitry Gorbunov.
Sur cette base, les particules sombres peuvent être détruites avec la formation d'un électron et d'un positron. Ils recherchent des traces de ces annihilations, mais il s'agit en tout cas de preuves indirectes. De plus, les résultats sont plutôt flous, les particules sont déviées, volent autour de la Galaxie, s'annihilent, perdent de l'énergie, et ce qui atteint la Terre est difficile à distinguer sur le fond des rayons cosmiques.
Ils essaient d'observer les particules sombres directement dans des détecteurs souterrains qui enregistrent les neutrinos. Sous le sol, le fond des particules atmosphériques diminue, la substance du détecteur se refroidit et vous devez attendre qu'une particule de matière noire la frappe. Ces événements sont rares en eux-mêmes, car si une particule interagit, elle est faible. L'impact provoque une excitation de l'atome et une explosion d'énergie, qui est enregistrée par le détecteur.
Dans le même temps, il est impossible d'augmenter à l'infini le volume de la substance du détecteur afin d'augmenter la probabilité de passage de particules sombres sans perte de sensibilité. De plus, les neutrinos interfèrent avec le signal. Pour le couper, vous devrez peut-être construire un tout nouveau détecteur pour descendre en dessous de ce signal.
«Il est nécessaire d'utiliser la détection de la direction d'impact de la particule. Cela supprimera considérablement l'arrière-plan, car les neutrinos volent dans la direction du Soleil et la matière noire frappera dans d'autres directions », précise le scientifique.
La troisième direction est la création d'une particule de matière noire à la suite de la collision de particules ordinaires au LHC et à d'autres accélérateurs. Pour l'observateur, cela ressemblera, par exemple, à un photon s'envolant sur le côté. Selon la loi de conservation de l'impulsion, une particule doit également voler dans l'autre sens, mais il n'y en a pas. Elle est donc invisible.
Jusqu'à présent, aucun des moyens de capturer les particules de matière noire n'a réussi. On ne sait même pas lequel d’entre eux est le plus prometteur.
Composition de l'univers / Illustration par RIA Novosti.
Tatiana Pichugina
