Dans le modèle cosmologique standard actuel, la matière noire joue un rôle primordial dans l’agencement des grandes structures de l’Univers, et permet également d’expliquer certains phénomènes comme l’anomalie de la courbe de rotation des galaxies. Si plusieurs candidats à la matière noire ont été proposés, aucun n’a pour le moment été détecté. Selon une nouvelle étude, la matière noire pourrait être constituée de fermions évoluant dans une cinquième dimension recourbée, et le passage entre cette dimension supplémentaire et notre univers visible serait assuré par une nouvelle particule faisant office de portail vers le secteur sombre. Une hypothèse qui, en plus d’expliquer la nature de la matière noire, permettrait également de résoudre certains problèmes comme celui de la hiérarchie, ou « l’énigme de l’existence des générations ».
L’existence de cette particule spéculative pourrait « fournir une explication naturelle » à l’abondance de matière noire, une composante non identifiée qui représente la majeure partie de la matière de l’Univers, et résoudre des problèmes actuellement insolubles concernant les particules subatomiques appelées fermions, selon la nouvelle recherche, publiée dans la revue The European Physical Journal C.
L’étude ajoute que « la présence d’une nouvelle physique » peut expliquer ces mystères fondamentaux en présentant un modèle de l’Univers possédant une cinquième dimension. « Nous travaillons sur un sujet similaire depuis un certain temps. Notre motivation initiale était d’expliquer l’origine possible des masses de fermions dans des théories avec une dimension supplémentaire recourbée. Nous savions que les masses de ces particules avaient des caractéristiques spéciales, qui réclamaient une explication », expliquent les chercheurs.
Une particule hypothétique constituant un portail vers le secteur sombre
En travaillant sur des équations du champ à 5 dimensions en relation avec les masses de fermions, l’équipe a esquissé l’existence d’un nouveau champ scalaire associé à une particule spéculative qui est à peu près similaire au champ de Higgs. « Nous avons constaté que le nouveau champ scalaire avait un comportement intéressant et non trivial le long de la dimension supplémentaire. Étant donné que cette nouvelle particule a des propriétés quantiques très similaires à celles du boson de Higgs, il était très naturel de supposer que les deux particules devraient se mélanger, ce qui signifie que leurs fonctions d’onde quantiques sont étroitement liées ».
En sondant cette hypothèse, les physiciens se sont rendu compte que la particule massive pouvait offrir « une fenêtre unique » sur la matière noire, car elle serait capable de médier une nouvelle force reliant la matière noire et son homologue baryonique (la matière classique). « Si cette particule lourde existe, elle relierait nécessairement la matière visible que nous connaissons et que nous avons étudiée en détail avec les constituants de la matière noire, en supposant que la matière noire est composée de fermions fondamentaux, qui évoluent dans la dimension supplémentaire ».
Les modèles des auteurs concernant la particule hypothétique n’étaient pas en conflit avec les indices observationnels de l’abondance de matière noire dans l’Univers. Cet accord général avec des preuves empiriques, ainsi que le lourd travail mathématique de l’étude, démontre que la particule pourrait être « un nouveau messager possible vers le secteur sombre (la dimension de la matière noire) ».
« Par conséquent, la confirmation de l’existence d’une telle particule scalaire ouvrira une voie passionnante vers la découverte possible de la matière noire. Cela nous donnera en particulier des informations très utiles sur l’éventuelle gamme de masse de la matière noire et ses interactions avec les particules que nous connaissons aujourd’hui ».
Une détection directe peu probable au regard des énergies demandées
Si la théorie semble relativement plausible, l’expérience doit maintenant la conforter. Le boson de Higgs a finalement été repéré par le grand collisionneur de hadrons (LHC) en 2012, une réalisation qui a été l’objet du prix Nobel de physique. Cependant, le LHC ne serait pas équipé pour rechercher la particule proposée dans le nouvel article, car elle serait trop lourde pour être générée par l’énergie actuellement déployée.
Bien que la particule puisse être détectable pour les nouvelles générations de collisionneurs qui ont été proposées, tels que le collisionneur linéaire international, le collisionneur linéaire compact (CLIC) et le futur collisionneur circulaire, les chercheurs indiquent que « en raison de sa grande masse, les perspectives d’une découverte directe semblent très difficiles, même aux hautes énergies avancées pour une telle machine (100 TeV) ».
Les chercheurs pensent que la particule pourrait être détectée plus indirectement, par exemple en observant les ondes gravitationnelles. « Une autre possibilité, que nous n’avons pas encore explorée, est que cette nouvelle particule pourrait jouer un rôle important dans l’histoire cosmologique de l’Univers, et pourrait produire des ondes gravitationnelles qui peuvent être recherchées avec les futurs détecteurs d’ondes gravitationnelles », ajoutent les chercheurs.
Les études futures de la matière noire pourraient également aider à contraindre l’existence de la particule. Au-delà de ses implications pour la compréhension de la matière noire, la particule, si elle existe, pourrait faire la lumière sur des dilemmes scientifiques de longue date tels que l’énigme des saveurs ou le problème de la hiérarchie, tout en ouvrant une nouvelle fenêtre sur l’Univers primitif.
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