Une substance invisible imprègne l'univers, modifiant les trajectoires des étoiles et des galaxies.
Cette soi-disant matière noire exerce une attraction gravitationnelle, mais n'interagit jamais avec la lumière. Personne ne sait de quoi il est fait et il a été impossible de le détecter jusqu'à présent. Mais une nouvelle théorie pourrait enfin fournir un moyen de tester la matière noire.
La matière noire pourrait être constituée de demi-aimants étranges, ont déclaré des physiciens théoriciens de l'Université de Californie à Davis lors d'une présentation le 6 juin lors de la conférence Planck 2019 à Grenade, en Espagne. Et en allumant un microscope électronique vraiment puissant (encore inexistant), nous pourrions enfin être en mesure de les détecter.
Mais tous les physiciens ne sont pas convaincus.
"Je pense que c'est soigné, mais pas très prometteur", a déclaré Sabine Hossenfelder, chercheuse à l'Institut de hautes études de Francfort, qui ne faisait pas partie de l'étude. "Il existe une infinité de particules que vous pouvez inventer qui peuvent constituer la matière noire." Ce n'est qu'un autre d'entre eux, a-t-elle ajouté.
"Pour chacune de ces particules, vous pouvez effectuer de nombreux calculs, publier des articles et imaginer des expériences, pour lesquelles vous pouvez ensuite essayer d'obtenir un financement", a-t-elle déclaré. "Si vous êtes vraiment chanceux, quelqu'un fera votre expérience - qui ne trouvera alors rien."
La quête de la matière noire
Bien que les théories prédisent l'existence de la matière noire, nous n'avons aucune idée de son aspect ou de sa composition. Pendant un certain temps, il y a eu "une belle histoire" selon laquelle la matière noire était constituée d'une bête timide et pesante d'une particule connue sous le nom de particule massive à faible interaction, ou WIMP, a déclaré le co-auteur de la nouvelle étude, John Terning, un professeur de physique à l'Université de Californie, Davis.
Pendant des années, les scientifiques ont recherché ces particules lentes et sans charge à l'aide d'accélérateurs de particules puissants. Mais au fil du temps, les physiciens ont exclu de plus en plus de candidats WIMP - et l'idée populaire a perdu de sa force. Bien que n'étant pas complètement exclu, "depuis 10 ans, les gens ont pensé à d'autres possibilités que les WIMP", a déclaré Terning.
Une autre théorie propose que la matière noire est en fait constituée de particules de lumière, ou photons.
"En plus des photons ordinaires que nous pouvons voir, il pourrait y avoir des photons que nous ne pouvons pas voir", a déclaré Terning. Ces soi-disant "photons sombres" sont des particules hypothétiques qui ont une masse, mais sont plus légères que les électrons. Les photons sombres interagiraient - quoique plutôt faiblement - avec les photons réguliers.
Dans cette nouvelle étude, Terning et son chercheur postdoctoral Christopher Verhaaren se sont appuyés sur cette théorie, proposant que la matière noire pourrait également être composée de demi-aimants sombres. Ces demi-aimants hypothétiques seraient des versions sombres des monopoles ou aimants recherchés depuis longtemps qui n'ont qu'un seul pôle, que le physicien Paul Dirac a proposé pour la première fois dans les années 1930. (Malgré des décennies de chasse, personne n'a encore trouvé de preuves pour eux dans la nature.)
Dirac n'a pas seulement proposé des monopoles; il a également proposé qu'un électron se déplaçant autour d'un monopôle soit influencé par son champ magnétique. Donc, si la théorie de Terning et Verhaaren est juste et que les versions sombres de ces demi-aimants se cachent quelque part dans l'univers - et si ces demi-aimants sombres agissent comme le monopole de Dirac - ils laisseraient également des indices subtils sur les chemins des électrons.
S'il existait des monopôles sombres, ils émettraient des photons sombres qui peuvent se transformer en photons réguliers avant d'être absorbés par les électrons, a déclaré Terning. Cette interaction entraînerait une légère rotation des électrons ou un changement de cap, produisant un motif d'interférence appelé effet Aharonov-Bohm. (Les électrons ne sont pas seulement des particules, ce sont aussi des ondes, et un motif d'interférence apparaît lorsque les pics et les vallées dans «l'équation d'onde» de l'électron s'additionnent ou s'annulent, créant une série de lumière parallèle et lignes sombres.) Terning et Verhaaren proposent qu'ils pourraient être en mesure de détecter ce très léger changement dans les modèles d'interférence électronique à l'aide de microscopes électroniques.
Excité par le soleil
Si la matière noire existe, elle est en nous et tout autour de nous - y compris dans et autour de tout microscope à faisceau d'électrons que nous utiliserions pour la détecter. Mais pour détecter la matière noire par sa perturbation d'électrons, les étranges demi-aimants qui composent la matière noire devraient avoir un champ magnétique suffisamment puissant. Cela signifie que ces demi-aimants devraient avoir beaucoup d'énergie.
Les monopoles qui passent près du soleil pourraient devenir excités, gagner plus d'énergie et ensuite se rendre sur Terre, a déclaré Terning. Il prédit qu'environ cinq de ces monopôles excités par jour passeraient par quelque chose de la taille de leur microscope à faisceau d'électrons proposé. "Ce n'est pas mal parce que les détecteurs WIMP habituels seraient heureux s'ils avaient cinq événements par an", a-t-il déclaré.
De plus, le changement de phase électronique provoqué par des demi-aimants sombres serait si minuscule que, pour le détecter, nous aurions besoin de microscopes à faisceau d'électrons à haute résolution - ceux qui existent actuellement ne sont probablement pas assez puissants . Ce microscope électronique devrait avoir une résolution cinq fois supérieure à celles qui existent actuellement, a déclaré Terning.
Dans tous les cas, nous espérons "attirer ces personnes avec des microscopes électroniques ultra sophistiqués à la recherche de cela" ou nous "devrons peut-être en construire un autre juste pour rester assis et attendre la matière noire", a déclaré Terning.
Les différentes théories concurrentes de la matière noire nous raconteraient des histoires complètement différentes sur la façon dont le premier univers s'est formé, a-t-il déclaré. De plus, une fois que vous avez compris de quoi est fait la matière noire - qu'il s'agisse de particules légères ou lourdes - les gens pourraient en théorie créer des usines de matière noire, en quelque sorte, ici sur Terre. "Si c'est très léger, vous n'avez pas besoin de beaucoup d'énergie pour produire votre propre matière noire."
Les scientifiques ont publié leur étude dans la revue de préimpression arXiv. Il n'a pas encore fait l'objet d'un examen par les pairs.
