Dans une nouvelle étude publiée dans Lettres d'examen physiqueles scientifiques ont estimé une nouvelle limite inférieure sur la masse des particules de matière noire bosonique ultra-légères.
Provoquée à représenter environ 85% du contenu de la matière dans l'univers, la matière noire a échappé à l'observation directe. Son existence n'est déduite que par ses effets gravitationnels sur les structures cosmiques.
Pour cette raison, les scientifiques n'ont pas pu identifier la nature de la matière noire et, par conséquent, sa masse. Selon notre modèle actuel de mécanique quantique, toutes les particules fondamentales doivent être des fermions ou des bosons.
Des travaux antérieurs ont réussi à établir la limite inférieure de la masse de la matière noire (si elle est fermionique) en utilisant le principe d'exclusion de Pauli.
Le principe d'exclusion de Pauli empêche deux fermions (électrons, protons, neutrons) d'occuper simultanément le même état quantique. Cependant, cela ne s'applique pas aux bosons (photons, gluons, particules de Higgs).
Issues.fr a parlé au premier auteur de l'étude, Tim Zimmermann, un doctorat. Candidat à l'Institut d'astrrophysique théorique, Université d'Oslo.
Zimmermann a déclaré: « Grâce à la lentille de l'astrophysique, un moyen productif de contraindre les propriétés de la matière noire est d'extraire des observations ce qu'elle n'est pas. Dans ce travail, nous établissons une nouvelle limite fondamentale de la masse de la particule de la matière noire, en supposant qu'elle entre dans la catégorie du boson ultra-légère. »
Selon leur étude, la masse de la matière noire bosonique ultra-légère doit être supérieure à 2 × 10-21 Electron Volts (EV), 100 fois plus que les estimations précédentes en utilisant le principe d'incertitude de Heisenberg.
Observations cinématiques de LEO II
La méthode de l'équipe se concentre sur les données de Leo II, la galaxie satellite de la voie lactée. C'est une galaxie naine 1 000 fois plus petite que la Voie lactée.
« Ce dont nous avons besoin, c'est un seul instantané de l'apparence de LEO II. Interpréter cet instantané s'avère alors assez simple car c'est un voisin proche de la Voie lactée, et donc, ne nous oblige pas à modéliser des choses supplémentaires telles que l'expansion de l'univers pour interpréter cet instantané », a déclaré Zimmermann.
En étudiant le mouvement des étoiles au sein de Leo II, les chercheurs peuvent déduire comment la matière sombre est répartie dans la galaxie. En effet, les mouvements des étoiles sont régis par l'influence gravitationnelle de la masse totale de la galaxie, y compris la matière noire.
« Nous tirons partis de tout ce que nous savons sur Leo II, en particulier à quoi il ressemble en interne. Nous faisons un effort supplémentaire et résolvons l'équation de Schrödinger pour déterminer chaque matière sombre possible. Notre résultat est exhaustif des données et n'utilise que la physique de premier principe », a expliqué Zimmermann.
L'équipe a créé 5 000 profils de densité de matière noire possibles qui sont conformes à la cinématique stellaire observée dans Leo II. Pour cela, ils ont utilisé un outil d'échantillonneur Markov-Chain – Monte-Carlo appelé Gravsphere qui résout l'équation des jeans pour déduire le profil de densité de la matière noire.
Ils ont ensuite comparé ces profils basés sur l'observation avec des profils de densité créés par des fonctions d'onde quantique représentant la matière noire de différentes masses possibles.
Établir une matière noire bordé inférieure et mixte
Les chercheurs ont découvert que lorsque la particule de matière noire est trop légère (en dessous de 2,2 × 10-21 ev), les fonctions d'onde quantique ne peuvent pas reproduire la distribution de densité de matière noire observée en raison des limitations fondamentales du principe de l'incertitude.
Le principe de l'incertitude limite la précision de la position et de l'élan d'une particule simultanément.
Dans le cas de particules de matière noire très claires, cela crée un flou quantique, où ils se comportent plus comme des vagues que des particules localisées. Ce flou quantique empêcherait la matière noire d'être concentrée dans de petites régions.
Les chercheurs ont développé un outil de calcul appelé JAXSP pour établir leurs résultats. L'outil leur a permis de reconstruire les fonctions d'onde des particules de matière noire et de déterminer si elles pouvaient reproduire celles observées dans les profils de densité de LEO II.
Grâce à l'analyse statistique, ils pouvaient identifier le point auquel la masse des particules est devenue trop petite pour tenir compte de la structure de la galaxie observée.
Par rapport aux études précédentes, les chercheurs ont amélioré la limite inférieure sur la masse de la matière noire de deux ordres de grandeur.
Les résultats ont des implications significatives pour les modèles populaires de matière noire ultra-légère, en particulier la matière noire floue, qui propose généralement des particules avec des masses d'environ 10-22 Ev.
« Matière noire floue à 10-22 EV était déjà sous pression par un éventail d'études indépendantes avant notre travail « , a déclaré Zimmermann.
« Ce qui a changé, c'est que nous pouvons maintenant tirer cette conclusion plus en toute confiance, simplement parce que même si vous n'invoquez pas tous ces modèles de fantaisie sur la façon dont l'univers se développe, comment le gaz absorbe la lumière ou comment les étoiles évoluent sur des millions d'années, notre résultat exclut toujours la matière noire floue de vanille. »
Pour l'avenir, l'équipe tient à explorer des modèles mixtes de matière noire.
« Une idée de plus en plus populaire dans la communauté de la phénoménologie de la matière noire est la matière noire mixte, l'idée que la matière noire n'est pas seulement composée d'une particule avec une masse, mais de nombreuses particules avec différentes masses », a expliqué Zimmermann.
« Extension de notre analyse à ce scénario, offrant une limite robuste pour la matière noire mixte qui ne reposait que sur les informations locales d'univers, est un pas en avant naturel. »
