Et si la matière noire était plus légère que prévu ? Une hypothèse qui expliquerait l’absence de détection directe

Cela expliquerait en partie pourquoi les recherches sur la matière noire sont non concluantes…

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Une nouvelle étude suggère que la matière noire ne doit pas être trop « lourde », car cela irait à l’encontre des principes des meilleurs modèles théoriques. La masse des particules de matière noire ferait ainsi « gonfler » excessivement celle du boson de Higgs de sorte qu’elle ne correspondrait plus à sa masse mesurée. Cette hypothèse pourrait expliquer en partie pourquoi les recherches sur la matière noire restent non concluantes, puisqu’elles se concentrent principalement sur la détection de particules lourdes.

De nombreuses observations indiquent la présence d’une hypothétique matière invisible accaparant la majeure partie de la masse de l’Univers et dépassant de loin celle de la matière ordinaire. Baptisée à juste titre « matière noire », elle est électriquement neutre et n’interagit presque jamais avec la matière ordinaire. Sa présence est démontrée par les structures cosmiques telles que les galaxies, se déplaçant et évoluant plus rapidement que ce qui pourrait être expliqué uniquement par la présence de la matière ordinaire.

Cependant, malgré les nombreuses observations indiquant sa présence, sa nature demeure à ce jour insaisissable. Elle pourrait donc se présenter sous la forme d’une grande variété de masses, allant d’un milliardième de celles des particules les plus légères connues à beaucoup plus que les plus lourdes (telles que le quark top et le boson W).

La plupart des recherches sur la matière noire se sont concentrées sur les particules lourdes (10 à 1 000 gigaélectronvolts), car les extensions simples du modèle standard de la cosmologie suggèrent l’existence de particules de matière noire de ce type. Cependant, le mystère persiste, car aucune particule de matière noire n’a encore jamais été directement détectée. Cela a conduit les physiciens à se demander si leurs recherches ciblaient la bonne gamme de masses, ou si les particules de matière noire pourraient être plus légères ou plus lourdes que prévu.

La nouvelle étude de l’Indian Institute of Science Education and Research indique que des particules de matière noire trop lourdes pourraient contredire les modèles standards les plus fiables. Autrement dit, ces particules pourraient être beaucoup plus légères qu’on le pensait. Les résultats de la recherche sont détaillés sur la plateforme de prépublication arXiv.

Une matière noire plus légère qu’on le pensait ?

La plupart des modèles théoriques sur la matière noire avancent qu’elle interagit avec la matière ordinaire par le biais d’échanges avec le boson de Higgs. Détecté en 2012 avec le Grand collisionneur de hadrons (LHC), il confère une masse à de nombreuses autres particules en interagissant avec celles-ci. Des expériences ont montré que le boson de Higgs a une masse d’environ 125 GeV, limitant les masses possibles de la plupart des candidats à la matière noire.

En effet, les interactions en physique sont toujours à double sens. Si de nombreuses particules acquièrent leur masse par le biais de leurs interactions avec le boson de Higgs, la masse de ce dernier est à son tour modifiée par son interaction avec ces particules. Toutefois, les particules sont si légères que la réaction inverse est généralement négligeable.

Bien que ce soit très rarement le cas, la matière noire interagit parfois avec la matière ordinaire. Ces interactions étaient beaucoup plus fréquentes dans l’univers primitif lorsque celui-ci était beaucoup plus chaud et dense, puis ont progressivement cessé à mesure qu’il a refroidi. Les deux types de matières interagissent avec le boson de Higgs, ce qui signifie qu’elles en modifient légèrement la masse.

Ainsi, la modification de la masse du boson de Higgs peut être prédite en estimant l’effet de rétroaction des particules avec lesquelles il interagit. Cependant, les experts de la nouvelle étude suggèrent que si la masse des particules de matière noire est trop élevée (supérieure à quelques milliers de GeV), son influence sur celle du boson de Higgs serait extrêmement importante et l’éloignerait de la valeur observée. Et si le boson avait à son tour une masse beaucoup trop élevée, cela pourrait entraver ses interactions avec toutes les autres particules.

Les chercheurs ont en déduit que les particules de matière noire pourraient être légères. « En raison de taux d’événements très faibles, la recherche de matière noire dans la gamme de masses lourdes est une tâche ardue nécessitant des détecteurs de volume encore plus grands et des temps d’exposition longs », expliquent les chercheurs. En outre, certains candidats, tels que les axions, concordent avec l’hypothèse matière noire légère de l’équipe.

Toutefois, il existe des moyens de contourner cette restriction, ont précisé les chercheurs. Des particules de matière lourdes pourraient exister si elles n’interagissaient pas du tout avec les particules ordinaires. Elles pourraient aussi interagir avec la matière ordinaire par le biais de processus physiques exotiques qui n’impliqueraient pas le boson de Higgs. Cependant, les modèles explorant ces possibilités sont à la fois rares et nécessitent de nombreux ajustements et calculs supplémentaires.

« Pour une large classe de modèles de matière noire du type recherché par ces expériences, y compris certains des candidats les plus populaires, la gamme de masses de matière noire lourde peut être exclue dans son intégralité une fois que nous prenons en compte les grandes corrections de la masse de Higgs conférées par une telle matière noire lourde », conclut l’équipe.

Source : arXiv

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