Dans le modèle HYPER (HighlY Interactive ParticlE Relics), quelque temps après la formation de la matière noire dans l’Univers primordial, la force de son interaction avec la matière normale augmente brusquement – ce qui, d’une part, la rend potentiellement détectable aujourd’hui et en même temps le temps peut expliquer l’abondance de matière noire.
La transition de phase dans l’Univers primordial modifie la force de l’interaction entre la matière noire et la matière normale. Crédit image : Université d’Adélaïde.
La matière noire est la substance mystérieuse qui représente environ un quart de l’Univers.
Il existe de fortes preuves indirectes de son existence à partir des mesures du rayonnement cosmique primordial, des anomalies dans la dépendance radiale des courbes de rotation galactiques et de la lentille gravitationnelle.
Malgré son rôle apparemment central dans l’Univers, l’origine physique de la matière noire reste inconnue.
Les physiciens théoriciens soupçonnent qu’il est constitué de particules invisibles qui ne réfléchissent ni n’absorbent la lumière, mais sont capables d’exercer la gravité.
Étant donné que la recherche d’un des principaux candidats, appelés particules massives à faible interaction (WIMP), n’a pas encore abouti, la communauté des chercheurs recherche des candidats alternatifs, en particulier des candidats plus légers.
Dans le même temps, on s’attend de manière générique à des transitions de phase dans le secteur sombre – après tout, il y en a plusieurs dans le secteur visible. Mais les études précédentes ont eu tendance à les négliger.
“Il n’y a pas eu de modèle de matière noire cohérent pour la gamme de masse à laquelle certaines expériences prévues espèrent accéder”, a déclaré le Dr Gilly Elor, chercheur postdoctoral à l’Université Johannes Gutenberg de Mayence.
“Cependant, notre modèle HYPER illustre qu’une transition de phase peut réellement aider à rendre la matière noire plus facilement détectable.”
Le défi pour un modèle adapté : si la matière noire interagit trop fortement avec la matière normale, sa quantité (précisément connue) formée dans l’Univers primordial serait trop faible, contredisant les observations astrophysiques.
Cependant, si elle est produite en juste quantité, l’interaction serait à l’inverse trop faible pour détecter la matière noire dans les expériences actuelles.
“Notre idée centrale, qui sous-tend le modèle HYPER, est que l’interaction change brusquement une fois – afin que nous puissions avoir le meilleur des deux mondes : la bonne quantité de matière noire et une grande interaction afin que nous puissions la détecter”, a déclaré le Dr Robert. McGehee, chercheur à l’Université du Michigan.
Et c’est ainsi que les chercheurs l’envisagent : en physique des particules, une interaction est généralement médiée par une particule spécifique, un soi-disant médiateur – et il en va de même pour l’interaction de la matière noire avec la matière normale.
Tant la formation de la matière noire que sa détection fonctionnent via ce médiateur, la force de l’interaction dépendant de sa masse : plus la masse est grande, plus l’interaction est faible.
Le médiateur doit d’abord être suffisamment lourd pour que la bonne quantité de matière noire soit formée et ensuite suffisamment léger pour que la matière noire soit détectable.
La solution : il y a eu une transition de phase après la formation de la matière noire, au cours de laquelle la masse du médiateur a soudainement diminué.
“Ainsi, d’une part, la quantité de matière noire est maintenue constante, et d’autre part, l’interaction est stimulée ou renforcée de telle manière que la matière noire devrait être directement détectable”, a déclaré le Dr Aaron Pierce, également de l’Université du Michigan.
“Le modèle HYPER de matière noire est capable de couvrir presque toute la gamme que les nouvelles expériences rendent accessible”, a déclaré le Dr Elor.
Plus précisément, l’équipe a d’abord considéré que la section efficace maximale de l’interaction médiée par un médiateur avec les protons et les neutrons d’un noyau atomique était cohérente avec les observations astrologiques et certaines désintégrations de la physique des particules.
L’étape suivante consistait à déterminer s’il existait un modèle de matière noire présentant cette interaction.
“Et ici, nous avons eu l’idée de la transition de phase”, a déclaré le Dr McGehee.
“Nous avons ensuite calculé la quantité de matière noire qui existe dans l’Univers, puis simulé la transition de phase à l’aide de nos calculs.”
Il y a de nombreuses contraintes à prendre en compte, comme une quantité constante de matière noire.
“Ici, nous devons systématiquement considérer et inclure de très nombreux scénarios, par exemple en nous posant la question de savoir s’il est vraiment certain que notre médiateur ne conduise pas soudainement à la formation de nouvelle matière noire, ce qui ne doit bien sûr pas être le cas”, a déclaré le Dr. dit Elor.
“Mais au final, nous étions convaincus que notre modèle HYPER fonctionnait.”
Les travaux de l’équipe ont été publiés dans la revue Lettres d’examen physique.
