Monopoles sombres : Les physiciens théoriques proposent un nouveau candidat pour la physique de la matière noire

Le professeur John Terning et le docteur Christopher Verhaaren de l’Université de Californie, Davis, ont trouvé un nouveau candidat pour la matière noire – un monopôle sombre – et une façon possible de le détecter.

Personne ne sait ce qu'est la matière noire, mais cette forme invisible de matière constitue environ un quart de l'Univers. Crédit image : Centre de vol spatial Goddard de la NASA.

Personne ne sait ce qu’est la matière noire, mais cette forme invisible de matière représente environ un quart de l’Univers. Crédit image : Centre de vol spatial Goddard de la NASA.

La matière noire est la substance mystérieuse qui constitue environ un quart de l’Univers.

Les physiciens soupçonnent que la matière noire est constituée de particules invisibles qui ne reflètent ni n’absorbent la lumière, mais qui sont capables d’exercer une gravité.

Des expériences menées dans le monde entier tentent de détecter et d’étudier ces particules. Les principaux candidats sont les WIMPs (particules massives à faible interaction) et les axions.

“Nous ne savons toujours pas ce qu’est la matière noire. Pendant longtemps, le principal candidat était le WIMP, mais il semble que cette hypothèse soit presque totalement écartée”, a déclaré le professeur Terning.

Une alternative au modèle WIMP de la matière noire fait appel à une forme d'”électromagnétisme sombre” comprenant des “photons sombres” et d’autres particules. Les photons sombres auraient un couplage faible avec les photons “normaux”.

Le professeur Terning et le docteur Verhaaren ajoutent une touche à cette idée : un monopôle magnétique sombre qui interagirait avec le photon sombre.

Dans le monde macroscopique, les aimants ont toujours deux pôles, nord et sud. Un monopôle est une particule qui agit comme une extrémité d’un aimant.

“Les monopoles sombres interagiraient avec les photons sombres et les électrons sombres de la même manière que la théorie prédit que les électrons et les photons interagissent avec les monopoles. Et cela implique un moyen de détecter ces particules sombres”, ont-ils déclaré.

En 1931, le physicien théoricien anglais Paul Dirac a prédit qu’un électron se déplaçant en cercle à proximité d’un monopôle percevrait un changement de phase dans sa fonction d’onde.

Étant donné que les électrons existent à la fois en tant que particules et en tant qu’ondes dans la théorie quantique, le même électron pourrait passer de chaque côté du monopôle et, par conséquent, être légèrement déphasé de l’autre côté.

Ce schéma d’interférence, appelé effet Aharonov-Bohm, signifie qu’un électron passant autour d’un champ magnétique est influencé par celui-ci, même s’il ne traverse pas le champ lui-même.

“Nous pourrions détecter un monopole sombre en raison de la façon dont il déphase les électrons lorsqu’ils passent”, ont déclaré les scientifiques.

“Théoriquement, les particules de matière noire nous traversent en permanence. Pour être détectables dans notre modèle, les monopoles devraient être excités par le Soleil. Il leur faudrait alors environ un mois pour atteindre la Terre, en voyageant à environ un millième de la vitesse de la lumière”, a déclaré le professeur Terning.

L’article de l’équipe a été publié sur le site arXiv.org.

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