Chercheurs, dans un récent Lettres d'examen physique Papier, introduisez un nouveau mécanisme qui peut enfin permettre aux photons sombres ultra-légers d'être considérés comme des candidats sérieux pour la matière noire, avec des implications prometteuses pour les efforts de détection.
Environ 85% de toutes les matières sont censées être de la matière noire, mais cette substance insaisissable continue de puffler les scientifiques car elle ne peut pas être observée directement.
L'un des candidats aux particules de matière noire est les photons sombres. Ces particules hypothétiques sont similaires aux photons ordinaires mais ont une masse et interagissent uniquement avec la matière normale.
Cependant, les progrès théoriques dans les modèles Dark Photon Dark Matter ont été entravés par la «contrainte de mélange cinétique».
Les photons sombres dans l'univers précoce ont fréquemment formé des réseaux de cordes cosmiques en raison du mélange cinétique avec des photons ordinaires, les empêchant de survivre en tant que particules de matière noire individuelles.
Ces structures en forme de chaîne ne peuvent pas agrandir gravitationnellement pour former des halos de galaxie ou reproduire les signatures de matière noire que nous observons, les disqualifiant essentiellement en tant que candidats viables.
Les chercheurs, David Cyncynate de l'Université de Washington et Zachary Weiner du Perimeter Institute for Theoritical Physics, ont maintenant proposé une nouvelle solution qui pourrait surmonter cette limitation fondamentale.
« J'ai été frappé par une étude récente suggérant que de nombreux modèles de photons noirs proposés pourraient ne pas fonctionner comme une matière noire », a déclaré CyncaNate à Issues.fr.
« Cela a soulevé la question: tous ces modèles sont-ils vraiment exclus, ou pouvons-nous trouver des scénarios qui fonctionnent encore, en particulier ceux qui pourraient être testés par la prochaine génération d'expériences? »
Se libérer des cordes cosmiques
Le problème des cordes cosmiques survient parce que les photons sombres acquièrent généralement leur masse à travers un mécanisme similaire à la façon dont les particules ordinaires obtiennent une interaction de masse – VIA avec un champ appelé The Dark Higgs.
Lorsque ce processus se produit au début de l'univers à des densités élevées, les photons sombres sont piégés dans de longues configurations en forme de chaîne qui s'étendent sur les distances cosmiques.
« Les photons sombres veulent s'assembler en cordes cosmiques quand elles sont assez denses dans l'espace », a déclaré Weiner à Issues.fr. « Les densités élevées sont difficiles à éviter, car tout candidat de matière noire doit avoir été produit pour la première fois au début de l'histoire cosmique lorsque l'univers était beaucoup plus dense. »
L'informatique clé de la nouvelle recherche est le «timing». En retardant la production de photons sombres jusqu'à bien plus tard dans l'histoire cosmique, les chercheurs ont constaté qu'ils pouvaient éviter les conditions de densité qui conduisent à la formation de chaînes cosmiques.
« Notre modèle a cherché à minimiser cet effet en retardant l'époque à laquelle les photons sombres sont produits le plus tard que possible – juste dans le temps pour qu'ils jouent leur rôle de matière noire froide pendant la formation des anisotropies de fond micro-ondes cosmiques », a expliqué Weiner.
Le modèle des chercheurs introduit un champ scalaire qui évolue sur le temps cosmique, modifiant efficacement les paramètres de la théorie à mesure que l'univers vieillit. Ce champ supprime la masse de photons sombres dans l'univers précoce, puis lui permet de croître à travers un processus appelé instabilité tachyonique.
Ce mécanisme de production retardé fonctionne à travers ce que les chercheurs appellent un «potentiel d'emballement». À mesure que le champ scalaire évolue, il crée des conditions où les modes transversaux de photons sombres deviennent instables et se développent de façon exponentielle, générant l'abondance de matière noire que nous observons aujourd'hui.
« L'astuce est que ce nouveau champ rend le photon sombre beaucoup plus léger dans l'univers précoce qu'il ne finit par être aujourd'hui, ce qui les rend plus faciles à produire que dans d'autres scénarios », a déclaré Cyncynate.
Ouverture des portes à la détection
« Le scénario le plus simple, où les photons sombres sont créés pendant l'inflation, ne fonctionne que s'ils sont presque complètement invisibles à la matière régulière, ce qui est une mauvaise nouvelle pour la détection », a noté Cyncynate.
« Le photon sombre peut ensuite s'en tirer avec des interactions plus fortes, ouvrant la porte à la détection dans des expériences en laboratoire. »
Les chercheurs ont identifié plusieurs expériences à venir qui pourraient détecter leurs photons sombres prévus. Il s'agit notamment de recherches basées sur la cavité qui utilisent des détecteurs ultra-sensibles dans des environnements blindés pour ramasser des signaux faibles que les photons sombres créeraient.
« Des expériences comme DM-Radio, Alpha, Dark E-Field et Madmax pourraient tous détecter le type de photons sombres que notre modèle prédit », a déclaré Cyncynate.
Certaines expériences utilisent des techniques de radio-fréquence pour rechercher des conversions de photons sombres, tandis que d'autres s'appuient sur la façon dont la lumière se comporte à l'intérieur du plasma pour permettre la conversion résonante de photons sombres en photons ordinaires.
Au-delà de la détection de laboratoire, le mécanisme de production tardif crée des signatures distinctives dans la formation de la structure cosmique. La production retardée conduit à des structures améliorées à petite échelle, y compris des minihalos avec des masses et des tailles caractéristiques qui pourraient être observables avec les futurs télescopes.
« Les futurs télescopes pourraient voir des indices de la structure améliorée à petite échelle caractéristique de notre proposition, par exemple via la gigue dans le mouvement ou la luminosité des étoiles », a expliqué Weiner.
« Mais la détection directe en laboratoire serait une preuve essentielle pour suggérer qu'un signal astrophysique observé est en fait dû à la matière sombre des photons sombres. »
La formation de structure améliorée survient parce que les photons sombres produits tard dans l'histoire cosmique conservent la mémoire du processus de production, créant des fluctuations de densité qui sont absentes dans les modèles conventionnels de matière noire.
Implications pour l'avenir
L'étude fournit des cibles expérimentales concrètes et des prédictions observables qui pourraient guider les recherches futures de matière noire.
Le modèle proposé se concentre sur les photons sombres acquérant la masse à travers une version sombre du mécanisme Higgs, similaire à la façon dont les particules ordinaires comme les bosons W et Z obtiennent leur masse. Cependant, les chercheurs notent que des mécanismes de génération de masse alternatifs pourraient faire face à différentes contraintes.
« Une autre possibilité, une soi-disant masse de Stückelberg, n'est peut-être pas aussi fortement contrainte, mais on ne sait actuellement pas si les cordes cosmiques se forment ou comment elles se comportent dans cette affaire », a déclaré Weiner.
Les chercheurs pensent que leur modèle ouvre un nouvel espace de paramètres qui était auparavant exclu, offrant un nouvel espoir de détecter l'un des candidats les plus intéressants de la matière noire.
Écrit pour vous par notre auteur Tejasri Gururaj, édité par Sadie Harley, et vérifié et révisé par Robert Egan – cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour garder le journalisme scientifique indépendant en vie. Si ce rapport vous importe, veuillez considérer un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte comme un remerciement.
