Dans un article publié en ligne dans le journal Physics Letters B (version arXiv.org), des physiciens théoriciens de l’université Vanderbilt proposent que la matière noire puisse être constituée d’un type de particule fondamentale appelée fermion de Majorana.
Cette simulation informatique visualise le halo de matière noire (Heidi Wu / Oliver Hahn / Risa Wechsler / Ralf Kaehler / Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology)
Des études précédentes ont suggéré que la matière noire est constituée de fermions de Majorana, dont l’existence a été prédite en 1937 par le physicien italien Ettore Majorana. Dans la nouvelle étude, les scientifiques de Vanderbilt ont effectué des calculs détaillés qui démontrent que ces particules sont particulièrement aptes à posséder un type de champ électromagnétique rare, en forme de beignet, appelé anapole. Ce champ leur confère des propriétés différentes de celles des particules qui possèdent les champs plus courants possédant deux pôles (nord et sud, positif et négatif) et explique pourquoi elles sont si difficiles à détecter.
“Il existe un grand nombre de théories différentes sur la nature de la matière noire. Ce que j’aime dans cette théorie, c’est sa simplicité, son caractère unique et le fait qu’elle puisse être testée”, a déclaré le professeur Robert Scherrer, co-auteur de l’étude.
“La plupart des modèles de la matière noire supposent que celle-ci interagit par le biais de forces exotiques que nous ne rencontrons pas dans la vie quotidienne. La matière noire anapole fait appel à l’électromagnétisme ordinaire que vous avez appris à l’école – la même force qui fait que les aimants collent à votre réfrigérateur ou qu’un ballon frotté sur vos cheveux colle au plafond.”
“De plus, le modèle fait des prédictions très spécifiques sur la vitesse à laquelle il devrait apparaître dans les vastes détecteurs de matière noire qui sont enterrés dans le monde entier. Ces prédictions montrent que, bientôt, l’existence de la matière noire anapole devrait être soit découverte, soit exclue par ces expériences.”
L’existence de la matière noire a également été proposée pour la première fois dans les années 1930 pour expliquer les divergences dans le taux de rotation des amas galactiques. Les scientifiques émettent l’hypothèse que la matière noire ne peut pas être vue dans les télescopes car elle n’interagit pas très fortement avec la lumière et les autres rayonnements électromagnétiques. En fait, les observations astronomiques ont fondamentalement exclu la possibilité que les particules de matière noire portent des charges électriques.
Plus récemment, cependant, plusieurs physiciens ont examiné des particules de matière noire qui ne portent pas de charges électriques, mais possèdent des dipôles électriques ou magnétiques. Le seul problème est que même ces modèles plus compliqués sont exclus des particules de Majorana. C’est l’une des raisons pour lesquelles les scientifiques de Vanderbilt ont examiné de plus près la matière noire dotée d’un moment magnétique anapolaire.
“Bien que les fermions de Majorana soient électriquement neutres, les symétries fondamentales de la nature leur interdisent d’acquérir toute propriété électromagnétique, à l’exception de l’anapole”, a déclaré le Dr Chiu Man Ho, co-auteur de l’étude. L’existence d’un anapole magnétique a été prédite par le physicien soviétique Yakov Zel’dovich en 1958. Depuis lors, il a été observé dans la structure magnétique des noyaux des atomes de césium-133 et d’ytterbium-174.
Les particules avec des dipôles électriques et magnétiques familiers, interagissent avec les champs électromagnétiques même lorsqu’elles sont stationnaires. Les particules avec des champs anapolaires ne le font pas. Elles doivent être en mouvement avant d’interagir et plus elles se déplacent rapidement, plus l’interaction est forte. Par conséquent, les particules anapolaires auraient été beaucoup plus interactives aux premiers jours de l’Univers et seraient devenues de moins en moins interactives au fur et à mesure de l’expansion et du refroidissement de l’Univers.
Les particules anapolaires de matière noire se seraient annihilées au début de l’Univers, tout comme les autres particules de matière noire proposées, et les particules restantes du processus auraient formé la matière noire que nous voyons aujourd’hui. Mais comme la matière noire se déplace beaucoup plus lentement à l’heure actuelle, et que l’interaction anapolaire dépend de la vitesse de déplacement, ces particules auraient échappé à la détection jusqu’à présent, mais de justesse.
