Qu’est-ce que la matière noire ? La réponse au plus grand mystère de l’univers pourrait être Axions

La physique est imprégnée d’énigmes et, en un sens, c’est ce qui fait avancer le domaine. Celles-ci énigmes hallucinantes favoriser une course vers la vérité. Mais de tous les dilemmes, je dirais que deux d’entre eux relèvent incontestablement de la priorité A.

Tout d’abord, lorsque les scientifiques regardent le ciel, ils voient constamment des étoiles et des galaxies s’éloigner de notre planète, et les unes des autres, dans toutes les directions. L’univers ressemble en quelque sorte à une bulle qui explose, c’est ainsi que nous avons appris qu’il s’agrandissait. Mais quelque chose n’a pas de sens.

L’espace ne semble pas avoir assez de choses qui flottent à l’intérieur – étoiles, particules, planètes et tout le reste – pour qu’il se gonfle si rapidement. En d’autres termes, l’univers s’étend bien plus vite que notre physique ne le dit, et il s’accélère même au fur et à mesure que vous lisez ceci. Ce qui nous amène au problème deux.

Selon les meilleurs calculs des experts, les galaxies tournent si incroyablement vite alors que tout tourne autour que nous nous attendrions à ce que les spirales se comportent comme des manèges incontrôlables jetant les chevaux en métal hors de la course. Il ne semble pas y avoir assez de choses dans l’univers pour les ancrer ensemble. Pourtant, la Voie lactée ne s’éloigne pas.

Alors que se passe-t-il?

En termes génériques, les physiciens appellent les éléments « manquants » qui poussent le cosmos vers l’extérieur de l’énergie noire, et les morceaux qui maintiennent les galaxies ensemble – vraisemblablement sous une forme semblable à un halo – la matière noire. Ni l’un ni l’autre n’interagit avec la lumière ou la matière que nous pouvons voir, ils sont donc essentiellement invisibles. Combinées, la matière noire et l’énergie noire représentent 95 % de l’univers.

Se concentrant sur la portion de matière noire, les auteurs d’une revue récente, publiée dans la revue Science Advances, écrivent qu' »elle pourrait bien consister en un ou plusieurs types de particules fondamentales… bien qu’une partie ou la totalité de celle-ci puisse consister en des morceaux macroscopiques de certains forme invisible de la matière, comme les trous noirs. »

Trous noirs ou pas, la matière noire est totalement insaisissable. Dans un effort pour décoder ses secrets, les scientifiques ont sélectionné une poignée de suspects parmi la gamme cosmique, et l’une des particules les plus recherchées est une petite tache étrange appelée l’axion.

L’hypothèse écarquillée des axions

Vous avez peut-être entendu parler du modèle standard, qui est à peu près le Saint Graal, un manuel de physique des particules qui ne cesse de se renforcer. Il décrit comment tous Célibataire particule dans l’univers fonctionne.

Cependant, comme le souligne la revue Science Advances, certains « physiciens des particules sont agités et mécontents du modèle standard car il présente de nombreuses lacunes théoriques et laisse de nombreuses questions expérimentales pressantes sans réponse ». Plus spécifiquement pour nous, cela mène droit à un paradoxe concernant un concept scientifique bien établi appelé invariance CPT. Aha, les énigmes de la physique continuent.

Fondamentalement, l’invariance CPT stipule que l’univers doit être symétrique en ce qui concerne C (charge), P (parité) et T (temps). Pour cette raison, on l’appelle aussi symétrie CPT. Si tout avait la charge opposée, était gaucher au lieu de droitier et voyageait dans le temps en arrière au lieu d’avancer, cela signifie que l’univers devrait rester le même.

Pendant longtemps, la symétrie CPT a semblé incassable. Puis 1956 est arrivé.

Pour faire court, les scientifiques ont trouvé quelque chose qui viole la partie P de la symétrie CPT. C’est ce qu’on appelle la force faible, et elle dicte des choses comme les collisions de neutrinos et la fusion des éléments dans le soleil. Tout le monde était choqué, confus et effrayé.

Presque tous les concepts fondamentaux de la physique reposent sur la symétrie CPT.

Environ une décennie plus tard, les chercheurs ont découvert que la force faible violait également la symétrie C. Les choses s’effondraient. Les physiciens pourraient simplement espérer et prier que même si P est violé… et CP est violé… peut-être que CPT ne l’est toujours pas. Peut-être que les forces faibles ont juste besoin du trio pour maintenir la symétrie CPT. Heureusement, cette théorie semble correcte. Pour une raison inconnue, la force faible suit la symétrie CPT totale malgré les blips C et CP. Phew.

Mais voici le problème. Si des forces faibles violent la symétrie CP, vous vous attendez à ce que des forces fortes le fassent également, n’est-ce pas ? Eh bien, ils ne le font pas, et les physiciens ne savent pas pourquoi. C’est ce qu’on appelle le problème CP fort – et précisément là où les choses deviennent intéressantes.

Les neutrons – des particules non chargées dans les atomes – respectent la force forte. De plus, pour simplifier, leur charge neutre signifie qu’ils violent la symétrie T. Et « si nous trouvons quelque chose qui viole la symétrie T, alors il doit également violer la symétrie CP de telle manière que la combinaison CPT ne soit pas violée », indique l’article. Mais… c’est bizarre. Les neutrons ne le font pas à cause du fort problème de CP.

C’est ainsi qu’est née l’idée de l’axion.

Il y a des années, les physiciens Roberto Peccei et Helen Quinn ont suggéré d’ajouter une nouvelle dimension au modèle standard. Cela impliquait un champ de particules ultralégères – les axions – qui expliquaient le problème de CP fort, assouplissant ainsi les conditions pour les neutrons. Axions a semblé tout réparer si bien que l’idée du duo est devenue la « solution la plus populaire au problème de la PC forte », indique l’article. C’était un miracle.

Pour être clair, les axions sont encore hypothétiques, mais pensez à ce qui vient de se passer. Les physiciens ont ajouté une nouvelle particule au modèle standard, qui décrit les points du l’univers entier. Qu’est-ce que cela pourrait signifier pour tout le reste?

La clé de la matière noire ?

Selon la théorie de Peccei-Quinn, les axions seraient « froids » ou se déplaceraient très lentement dans l’espace. Et… les chercheurs de l’étude disent « l’existence de [dark matter] est déduit de ses effets gravitationnels, et les observations astrophysiques suggèrent qu’il fait « froid ». »

Le document indique également qu' »il existe des limites supérieures expérimentales sur la force [the axion] interagit avec la matière visible. »

Donc, fondamentalement, les axions qui aident à expliquer le problème de CP fort semblent également avoir des propriétés théoriques qui s’alignent sur celles de la matière noire. Extrêmement bien.

Le Conseil européen pour la recherche nucléaire, mieux connu sous le nom de CERN, qui dirige le Large Hadron Collider et mène la charge des études sur l’antimatière, souligne également « l’une des propriétés les plus suggestives des axions est que, de manière naturelle, ils pourraient être produits en grand nombre peu après le Big Bang. Cette population d’axions serait encore présente aujourd’hui et pourrait composer la matière noire de l’univers.

Voilà. Les axions sont parmi les sujets les plus brûlants de la physique car ils semblent expliquer tellement de choses. Mais encore une fois, ces morceaux recherchés sont encore hypothétiques.

Trouverons-nous un jour des axions ?

Cela fait 40 ans que les scientifiques ont commencé à chasser les axions.

La plupart de ces recherches « exploitent principalement l’interaction du champ d’action avec les champs électromagnétiques », déclarent les auteurs dans cette récente revue publiée dans Science Advances.

Par exemple, le CERN a développé le télescope de recherche Axion, une machine conçue pour trouver un indice des particules produites dans le noyau du soleil. À l’intérieur de notre étoile, il existe de puissants champs électriques qui pourraient potentiellement interagir avec les axions – s’ils sont vraiment là, bien sûr.

Mais la quête a jusqu’à présent été confrontée à quelques défis assez importants. D’une part, « la masse des particules n’est pas théoriquement prévisible », écrivent les auteurs – c’est-à-dire que nous avons très peu d’idées de ce à quoi pourrait ressembler un axion.

À l’heure actuelle, les scientifiques les recherchent toujours tout en supposant une très large gamme de masses. Récemment, cependant, des chercheurs ont apporté la preuve que la particule se situe probablement entre 40 et 180 microélectrons volts. C’est incroyablement petit, à environ 1 milliardième de la masse d’un électron.

« De plus », écrit l’équipe, « le signal d’axion devrait être très étroit… et extrêmement faible en raison de couplages très faibles avec les particules et les champs du modèle standard ». Essentiellement, même si de minuscules axions font de leur mieux pour nous signaler leur existence, nous pourrions les manquer. Leurs signaux pourraient être si faibles que nous les remarquerions à peine.

Malgré ces obstacles, la recherche de l’axion avance. La plupart des scientifiques affirment qu’ils doivent être quelque part, mais ils semblent trop beaux pour être vrais lorsqu’il s’agit d’expliquer pleinement la matière noire.

« La plupart des tentatives expérimentales supposent que les axions composent 100% du halo de matière noire », soulignent les auteurs de l’étude, suggérant qu’il existe peut-être un moyen « d’examiner la physique des axions sans s’appuyer sur une telle hypothèse ».

Bien qu’ils soient peut-être la vedette du spectacle, et si les axions n’étaient qu’un chapitre de l’histoire de la matière noire ?