Deux études récentes du professeur Stefano Profumo à l'Université de Californie à Santa Cruz, proposent des théories qui tentent de répondre à l'une des questions ouvertes les plus fondamentales de la physique moderne: quelle est la nature des particules de la matière noire?
La science a produit des preuves écrasantes que la substance mystérieuse, qui représente 80% de toutes les matières dans l'univers, existe. La présence de Dark Matter explique ce qui lie les galaxies ensemble et les fait tourner. Les résultats tels que la structure à grande échelle de l'univers et les mesures de l'arrière-plan micro-ondes cosmiques prouvent également que quelque chose qu'interminé, il imprègne toute cette obscurité.
Ce qui reste inconnu, ce sont les origines de la matière noire, et donc quelles sont ses propriétés de particules? Ces questions lourdes tombent principalement sur les physiciens théoriques comme Profumo. Et dans deux articles récents, il aborde ces questions de directions différentes, mais toutes deux centrées sur l'idée que la matière noire aurait pu émerger naturellement des conditions dans l'univers très précoce – plutôt que la matière noire étant une nouvelle particule exotique qui interagit avec la matière ordinaire d'une manière détectable.
Origines sombres
La dernière étude, publiée le 8 juillet Revue physique Dexplore si la matière noire aurait pu se former dans un secteur caché – une sorte de « monde miroir » avec ses propres versions de particules et de forces. Bien que complètement invisible pour les humains, ce secteur de l'ombre obéirait à bon nombre des mêmes lois physiques que l'univers connu.
L'idée s'inspire de la chromodynamique quantique (QCD), la théorie qui décrit comment les quarks sont liés ensemble à l'intérieur des protons et des neutrons par la forte force nucléaire. L'UC Santa Cruz a des racines profondes dans ce domaine: le professeur de physique émérite Michael Dine a aidé des modèles théoriques pionniers impliquant l'axion QCD, un candidat de premier plan de la matière noire, tandis que le professeur de recherche Abe Seiden a contribué à des efforts expérimentaux majeurs en sondant la structure des hadrons – des particules faites de quarks – dans des expériences physique à haute énergie.
Dans le nouveau travail de Profumo, la force forte est reproduite dans le secteur sombre en tant que théorie «QCD sombre» confinante, avec ses propres particules – quarks et gluons sombres – se préparant ensemble pour former de lourdes particules composites appelées baryons sombres. Dans certaines conditions de l'univers précoce, ces baryons sombres pourraient devenir denses et massifs pour s'effondrer sous leur propre gravité en trous noirs extrêmement petits et stables – ou des objets qui se comportent un peu comme des trous noirs.
Ces restes de trous noirs ne seraient que quelques fois plus lourds que la masse de Planck – l'échelle de masse fondamentale de la gravité quantique – mais si elles sont produites en bonne quantité, elles pourraient expliquer toute la matière noire observée aujourd'hui. Parce qu'ils n'interagiraient que par la gravité, ils seraient complètement invisibles pour les détecteurs de particules – c'est que leur présence façonnerait l'univers à l'échelle la plus grande.
Ce scénario offre un nouveau cadre testable ancré dans une physique bien établie, tout en étendant l'exploration de longue date de l'UC Santa Cruz de la profondeur des principes théoriques pourrait aider à expliquer l'une des plus grandes questions ouvertes en cosmologie.
À l'horizon
L'autre étude récente de Profumo, publiée dans May dans le même journal, explore si la matière noire pourrait être produite par « l'horizon cosmique » en expansion de l'univers -, en outre, l'équivalent cosmologique de l'horizon des événements d'un trou noir.
Cet article demande, si l'univers a subi une brève période d'expansion accélérée après l'inflation – quelque chose de moins extrême que l'inflation, mais qui s'étend toujours plus rapidement que le rayonnement ou la matière le permettrait – pourrait-il que la phase elle-même ait elle-même des particules « rayonnées »?
En utilisant des principes de la théorie du champ quantique dans l'espace-temps incurvé, le papier montre qu'une large gamme de masses de matière noire pourrait résulter de ce mécanisme, selon la température et la durée de cette phase.
Surtout, Profumo a déclaré que cela ne nécessite aucune hypothèse sur la façon dont la matière noire interagit – seulement qu'elle est stable et produite par gravitation. L'idée est inspirée par la façon dont les observateurs proches des horizons cosmiques, comme ceux d'un trou noir, perçoivent le rayonnement thermique dû aux effets quantiques.
« Les deux mécanismes sont très spéculatifs, mais ils proposent des scénarios autonomes et calculables qui ne reposent pas sur des modèles conventionnels de matière noire de particules, qui sont de plus en plus sous pression des résultats expérimentaux nuls », a déclaré Profumo, qui est également directeur adjoint de la théorie à l'Institut de Santa Cruz pour la physique des particules.
On pourrait dire que Profumo a écrit le livre sur la quête pour comprendre la nature de la matière noire. Son manuel de 2017 « Une introduction à la matière noire des particules » présente des leçons qu'il a personnellement apprises et utilisées dans ses travaux de recherche à partir de techniques de pointe que les scientifiques ont développées au fil des ans pour construire et tester des modèles de particules pour la matière noire.
Le livre décrit le « paradigme de la matière noire » comme « l'un des principaux développements à l'interface de la cosmologie et de la physique des particules élémentaires », et est destiné à toute personne intéressée par la nature microscopique de la matière noire car elle se manifeste dans les expériences de physique des particules, les observations cosmologiques et les phénomènes d'astrophysique à haute énergie.
Les chercheurs ici ont joué un rôle clé dans la cosmologie depuis des décennies, contribuant au développement du modèle standard de matière noire lambda – toujours le mieux adapté à toutes les données cosmologiques – et à l'étude théorique et observationnelle de la façon dont la structure se forme dans l'univers. De plus, UC Santa Cruz a longtemps soutenu une interaction étroite entre la théorie et l'observation, avec des forces en physique des particules, en astrophysique et en première cosmologie de l'univers.
Profumo a déclaré que ces publications récentes se poursuivent dans cette tradition, explorant des idées qui relient les questions les plus profondes en physique des particules avec le comportement à grande échelle du cosmos. « Et ils le font d'une manière qui reste enracinée dans la physique connue – que ce soit la théorie quantique des champs dans l'espace-temps incurvé, ou les propriétés bien étudiées des théories SU (N) – tout en les étendant à de nouvelles frontières », a-t-il déclaré.
