Nous ne pouvons pas voir directement la matière noire, donc son étude repousse les limites de notre créativité en tant que scientifiques. Comme c'est excitant, dit Chanda Prescod-Weinstein
« Alors que nous entrons dans la seconde moitié des années 2020, nous vivons une période incroyablement excitante pour la recherche sur la matière noire… »
C’est une époque surréaliste pour être un chercheur sur la matière noire. Même si le financement de la recherche est réduit par les gouvernements du monde entier, la matière noire reste l’un des problèmes ouverts les plus importants et les plus passionnants de toute la physique – de toute la science, franchement. La majeure partie de la matière dans l’univers semble invisible : pour chaque kilogramme de matière visible, il y aurait apparemment 5 kilogrammes de matière noire. Nous le savons uniquement parce que nous avons constaté l’impact de la matière noire sur la structure des éléments visibles de l’univers.
Les amas de galaxies sont mieux expliqués lorsque la matière noire en est présumée un composant. Les observations de la distribution de la première lumière volant librement dans l’univers ne correspondent à nos prédictions théoriques que si la matière noire fait partie du modèle. Une foule d’autres observations confirment la même chose : il existe une grande quantité de matière noire, invisible pour nous à moins de chercher comment elle façonne la matière visible.
Alors que nous entrons dans la seconde moitié des années 2020, nous vivons une période incroyablement passionnante pour la recherche sur la matière noire. Les travaux du télescope spatial Euclid de l'Agence spatiale européenne permettront de mieux comprendre la structure des galaxies. Parallèlement, l'observatoire Vera C. Rubin vient tout juste de commencer une étude du ciel sur 10 ans, et elle transformera presque certainement notre connaissance des galaxies satellites qui vivent sur l'orbite de plus grandes compagnes. Cette dynamique nous aidera à comprendre plus en détail comment la matière noire gouverne la matière visible.
Étudier quelque chose dont nous savons qu'il existe mais que nous ne pouvons pas voir directement, c'est repousser les limites de notre créativité en tant que scientifiques. Parmi les questions que nous devons nous poser et auxquelles nous devons tenter de répondre de manière créative, on trouve : Comment allons-nous le rechercher ? Pouvons-nous capturer une particule de matière noire en laboratoire ? Comment étudier ses propriétés si nous ne le pouvons pas ?
La seule issue est de passer. Nous devons commencer par ce que nous savons et essayer de développer nos connaissances à partir de là. Nous sommes assez convaincus que la matière noire ressemble à la matière, ce qui suggère que nous pouvons utiliser pour l’étudier les mêmes outils mathématiques que ceux que nous utilisons pour étudier les particules ordinaires, comme la théorie quantique des champs (QFT).
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De plus en plus, nous recherchons des preuves de la diffusion de la matière noire par les électrons, et non seulement par son impact sur une cible.
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QFT semble compliqué – et il l’est – mais un non-expert peut toujours s’en faire une idée. Il s’agit peut-être de notre théorie physique la plus fondamentale, car elle combine la relativité restreinte et la mécanique quantique (mais pas la relativité générale). L’idée sous-jacente est que dans tout l’univers, le potentiel de création d’une particule existe en chaque point, en raison de la présence d’un champ associé à ce type de particule.
Pensez aux champs de fraises. Les fraises ne se manifestent qu’à certains endroits, pas à d’autres. Cela est dû aux propriétés spécifiques de ces points dans l’espace-temps : ce sont les endroits où existent les conditions idéales pour qu’une fleur de fraisier s’épanouisse. Le potentiel des fraises est omniprésent dans un champ de fraises, mais elles ne se concrétisent réellement que dans certains endroits. De manière assez similaire, c'est ainsi que QFT nous indique que les particules naissent.
QFT est un sujet difficile pour lequel même les experts passent de nombreuses années à se familiariser. Et même si nous pensons qu’il est judicieux d’appliquer QFT à la matière noire afin de faire des suppositions intelligentes à son sujet, la question se pose de savoir comment écrire des équations pour décrire quelque chose dont les propriétés nous échappent pour la plupart.
D’un point de vue sociologique, il est assez amusant de voir la myriade de façons dont les scientifiques ont répondu à cette question. Au cours de la dernière décennie, une approche populaire pour caractériser des choses que nous ne connaissons pas consiste à développer une « théorie efficace des champs » (EFT). Les EFT sont un moyen efficace d'écrire un ensemble généralisé d'équations dont les caractéristiques peuvent être ajustées en fonction des observations.
Les EFT peuvent également être développés dans un cadre expérimental particulier. Par exemple, une manière importante de comprendre la matière noire consiste à effectuer des expériences de détection directe. Grâce à ceux-ci, nous espérons qu’une sorte d’interaction entre la matière noire et la matière visible produira un effet observable dans une expérience terrestre. Au fil des années, les approches de détection directe se sont développées et multipliées. Au lieu de simplement rechercher des preuves que la matière noire atteint une cible, nous recherchons de plus en plus des signes de diffusion de la matière noire par les électrons. Ce virage expérimental signifie que les EFT doivent évoluer parallèlement.
Dans un article préliminaire publié ce mois-ci, les chercheurs Pierce Giffin, Benjamin Lillard, Pankaj Munbodh et Tien-Tien Yu proposent une EFT capable de mieux prendre en compte ces interactions de diffusion. Bien que l'article n'ait pas encore fait l'objet d'un examen par les pairs, il a attiré mon attention car il s'agit d'un excellent exemple de travail qui ne fera peut-être jamais la une des journaux, mais qui constitue néanmoins exactement le genre de chose qui fait avancer la recherche. La science exige de la patience, et j’espère que nos dirigeants s’en souviennent.
Chanda Prescod-Weinstein est professeur agrégé de physique et d'astronomie à l'Université du New Hampshire. Elle est l'auteur de Le cosmos désordonné et le prochain livre Aux confins de l'espace-temps : particules, poésie et boogie du rêve cosmique
Ce que je lis
Je viens de terminer l'étonnant premier roman d'Addie E. Citchens, Domination.
Ce que je regarde
J'ai récemment rattrapé les épisodes d'été de Emmerdale et SAINTES FUMÉES !
Ce sur quoi je travaille
Mes collaborateurs et moi avons de nouvelles idées de recherche amusantes sur les scénarios de matière noire.
