Des décennies après qu’il soit devenu clair que l’Univers visible est construit sur un cadre de matière noire, nous ne savons toujours pas ce qu’est réellement la matière noire. À grande échelle, diverses preuves pointent vers ce qu’on appelle les WIMP : des particules massives à faible interaction. Mais il existe une variété de détails difficiles à expliquer à l’aide des WIMP, et des décennies de recherche des particules n’ont rien donné, laissant les gens ouverts à l’idée que quelque chose d’autre qu’un WIMP comprend de la matière noire.
L’un des nombreux candidats est ce qu’on appelle un axion, une particule porteuse de force qui a été proposée pour résoudre un problème dans un domaine sans rapport avec la physique. Ils sont beaucoup plus légers que les WIMP mais ont d’autres propriétés qui sont compatibles avec la matière noire, qui a maintenu un faible intérêt pour eux. Maintenant, un nouvel article soutient qu’il existe des caractéristiques dans une lentille gravitationnelle (en grande partie le produit de la matière noire) qui s’expliquent mieux par des propriétés de type axion.
Particule ou onde ?
Alors, qu’est-ce qu’un axion ? Au niveau le plus simple, c’est une particule extrêmement légère sans spin qui agit comme un vecteur de force. Ils ont été proposés à l’origine pour garantir que la chromodynamique quantique, qui décrit le comportement de la force forte qui maintient les protons et les neutrons ensemble, ne rompt pas la conservation de la parité de charge. Suffisamment de travail a été fait pour s’assurer que les axions étaient compatibles avec d’autres cadres théoriques, et quelques recherches ont été effectuées pour essayer de les détecter. Mais les axions ont pour la plupart langui comme l’une des nombreuses solutions potentielles à un problème que nous n’avons pas trouvé comment résoudre.
Ils ont cependant attiré l’attention en tant que solutions potentielles à la matière noire. Mais le comportement de la matière noire était mieux expliqué par une particule lourde, en particulier une particule massive interagissant faiblement. On s’attendait à ce que les axions soient plus légers et pourraient potentiellement être aussi légers que le neutrino presque sans masse. Les recherches effectuées pour les axions avaient également tendance à exclure bon nombre des masses les plus lourdes, ce qui rendait le problème encore plus prononcé.
Mais les axions peuvent faire leur retour, ou du moins rester stables pendant que les WIMP font face. Il y a eu un certain nombre de détecteurs construits pour essayer de capter les indications des interactions faibles des WIMP, et ils sont restés vides. Si les WIMP sont des particules du modèle standard, nous aurions pu en déduire leur présence sur la base de la masse manquante dans les collisionneurs de particules. Aucune preuve de cela n’a été fournie. Cela a amené les gens à réexaminer si les WIMP sont la meilleure solution à la matière noire.
À l’échelle cosmologique, les WIMP continuent de s’adapter extrêmement bien aux données. Mais une fois que vous arrivez aux niveaux des galaxies individuelles, il y a certaines bizarreries qui ne fonctionnent pas aussi bien à moins que le halo de matière noire entourant une galaxie ait une structure compliquée. Des choses similaires semblent être vraies lorsque vous essayez de cartographier la matière noire de galaxies individuelles en fonction de sa capacité à créer une lentille gravitationnelle qui déforme l’espace afin d’agrandir et de déformer les objets d’arrière-plan.
La matière noire basée sur WIMP, modélisée à gauche, conduit à une distribution régulière de haut (rouge) à bas (bleu) à mesure que vous vous éloignez du noyau d’une galaxie. Avec les axions (à droite), l’interférence quantique crée un motif beaucoup plus irrégulier.
Amruth, et. Al.
Le nouveau travail tente de relier ces bizarreries potentielles à une différence entre les propriétés des WIMPS et des axions. Comme leur nom l’indique, les WIMP devraient se comporter comme des particules discrètes, interagissant presque entièrement par gravité. En revanche, les axions devraient interagir les uns avec les autres par interférence quantique, créant des motifs ondulatoires dans leur fréquence dans toute une galaxie. Ainsi, alors que la fréquence des WIMP devrait diminuer doucement avec la distance du noyau d’une galaxie, les axions devraient former une onde stationnaire (techniquement, un soliton) qui augmente leur fréquence près du noyau galactique. Plus loin, des modèles d’interférence complexes devraient créer des zones où il n’y a pratiquement pas d’axions et d’autres zones où ils sont présents à deux fois la densité moyenne.