Les physiciens à la recherche de la main invisible qui façonne notre univers et les galaxies qui s'y trouvent ont tourné leur regard vers le côté obscur. Plus précisément, une équipe recherche derrière chaque roche cosmique des soi-disant photons sombres, qui pourraient transmettre une force de la nature jusque-là inconnue.
Ces photons serviraient d'intermédiaire entre toute la matière normale et la substance invisible appelée matière noire.
Mais les scientifiques ont compris depuis longtemps que la nature est étirée et tirée et balayée et déchirée par quatre forces connues, alors comment une autre force aurait-elle pu nous cacher si longtemps? Ces quatre forces connues constituent la pierre angulaire de notre existence quotidienne: la force nucléaire forte tyrannique mais à courte portée, qui lie les noyaux atomiques; la force nucléaire faible obscure et silencieuse, qui contrôle la désintégration radioactive et parle aux particules subatomiques appelées neutrinos; la force électromagnétique audacieuse et lumineuse, qui domine nos vies; et la force gravitationnelle subtile, de loin la plus faible du quatuor.
En utilisant ces quatre forces fondamentales, les physiciens sont capables de brosser un portrait de nos mondes subatomiques et macroscopiques. Aucune interaction n'implique l'un de ces quatre personnages. Et pourtant, les mystères abondent encore concernant les interactions dans notre univers, en particulier aux plus grandes échelles. Lorsque nous effectuons un zoom arrière à l'échelle des galaxies et au-delà, quelque chose de poisson se produit et nous donnons à ce poisson le nom de matière noire.
La matière noire est-elle simple et sans fioritures, ou cache-t-elle dans ses griffes une multitude de forces jusque-là inconnues? Maintenant, une équipe internationale de physiciens, décrivant leurs travaux en ligne dans le journal de préimpression arXiv, a utilisé un vidage de données du Large Hadron Collider - le plus grand briseur d'atomes du monde - pour rechercher une telle force. Pour l'instant, leur recherche est devenue vide - ce qui est bien (en quelque sorte): cela signifie que nos lois connues de la physique sont toujours valables. Mais nous ne pouvons toujours pas expliquer la matière noire.
Perdu dans le noir
La matière noire est une forme hypothétique de matière qui représenterait environ 80% de la masse totale de l'univers. C'est un gros problème. Nous ne savons pas vraiment ce qui est responsable de toutes ces choses extra invisibles, mais nous savons que cela existe, et notre plus grand indice est la gravité. En examinant les mouvements des étoiles au sein des galaxies et des galaxies au sein des amas, ainsi que l'évolution des plus grandes structures du cosmos, les astronomes sont presque universellement arrivés à la conclusion qu'il y a plus que ce que rencontre l'œil galactique.
Un meilleur nom pour la matière noire pourrait être une matière invisible. Bien que nous puissions l'inférer de son influence gravitationnelle (car rien n'échappe à l'œil qui voit tout d'Albert Einstein), la matière noire n'interagit tout simplement pas avec la lumière. Nous le savons parce que si la matière noire interagissait avec la lumière (ou du moins, si elle interagissait avec la lumière de la même manière que la matière familière), nous aurions déjà vu la substance mystérieuse. Mais pour autant que nous puissions en juger, la matière noire - quelle qu'elle soit - n'absorbe pas la lumière, ne réfléchit pas, ne réfracte pas la lumière, ne diffuse pas de lumière ou n'émet pas de lumière. Pour la matière noire, la lumière est simplement persona non grata; il pourrait tout aussi bien ne pas exister.
Et il y a donc de fortes chances que des légions de particules de matière noire traversent votre corps en ce moment. La masse combinée de ce flux sans fin peut façonner le destin des galaxies via l'influence gravitationnelle, mais elle traverse la matière normale sans même un bonjour. Rude, je sais, mais c'est de la matière noire pour vous.
Apporter la lumière
Puisque nous ne savons pas de quoi est faite la matière noire, nous sommes libres de créer toutes sortes de scénarios, à la fois mondains et fantaisistes. L'image la plus simple de la matière noire indique qu'elle est grande et basique. Oui, il constitue la grande majorité de la masse de l'univers, mais il n'est composé que d'une seule particule très prolifique qui n'a rien d'autre que de la masse. Cela signifie que le matériau peut se faire connaître par la gravité, mais sinon, il n'interagit jamais avec aucune des autres forces. Nous ne verrons jamais, jamais la matière noire faire autre chose.
Les scénarios fantaisistes sont plus amusants.
Lorsque les théoriciens s'ennuient, ils inventent des idées sur ce que pourrait être la matière noire et, plus important encore, sur la façon de la détecter. Le niveau suivant sur l'échelle des théories intéressantes sur la matière noire dit que la substance peut parfois parler à la matière normale via la faible force nucléaire. Cette idée motive aujourd'hui les expériences et les détecteurs de matière noire à travers le monde.
Mais encore, ce scénario suppose qu'il n'y a encore que quatre forces de la nature. Si la matière noire est une sorte de particule jamais vue auparavant, alors il est parfaitement raisonnable de suggérer (parce que nous n'avons aucune idée si nous avons raison ou non) qu'elle est emballée avec une force de la nature inconnue auparavant - ou peut-être un couple, qui sait ? Cette force potentielle pourrait laisser la matière noire parler uniquement à la matière noire, ou elle pourrait entrelacer la matière noire et l'énergie noire (que nous ne comprenons pas non plus), ou elle pourrait ouvrir un nouveau canal de communication entre les secteurs normal et sombre de notre univers .
Montée du photon sombre
Un portail de communication proposé entre les royaumes lumineux et sombres est quelque chose appelé photon sombre, analogue au photon familier (lumière) de la force électromagnétique. Nous n'avons pas la possibilité de voir, de goûter ou de sentir directement les photons sombres, mais ils peuvent se mêler à notre monde. Dans ce scénario, la matière noire émet des photons sombres, qui sont des particules relativement massives. Cela signifie qu'ils n'ont des effets que sur une courte portée, contrairement à leurs homologues porteurs de lumière. Mais parfois, un photon sombre pourrait interagir avec un photon ordinaire, modifiant son énergie et sa trajectoire.
Ce serait un événement très rare; sinon, nous aurions remarqué quelque chose de génial avec l'électromagnétisme il y a longtemps.
Donc, même avec des photons sombres, nous ne serions pas en mesure de voir directement la matière sombre, mais nous pourrions flairer l'existence des photons sombres en examinant les masses d'interactions électromagnétiques. Dans une infime fraction de ces paraisons, un photon sombre pourrait "voler" l'énergie d'un photon ordinaire en interagissant avec lui.
Mais comme je l'ai dit, nous avons besoin de bouffées d'interactions. Il se trouve que nous avons construit des Machines of Science géantes pour produire exactement cela, alors nous avons de la chance.
Dans l'article arXiv, les physiciens ont rendu compte de leurs résultats après avoir examiné pendant trois ans les données du Super Proton Synchrotron, le deuxième plus grand accélérateur de particules du CERN. Pour cette expérience, les scientifiques ont brisé les protons contre l'équivalent subatomique d'un mur de briques et ont regardé toutes les pièces à la suite.
Dans l'épave, les chercheurs ont trouvé des électrons - beaucoup d'entre eux. En trois ans, les scientifiques ont dénombré plus de 20 milliards d'électrons avec des énergies supérieures à 100 GeV. Parce que les électrons sont des particules chargées et aiment interagir les uns avec les autres, les électrons de haute énergie de cette expérience ont également engendré beaucoup de photons. Si des photons sombres existent, alors ils devraient parfois interagir avec et voler de l'énergie à l'un des photons réguliers, un phénomène qui apparaîtrait dans l'expérience comme un manque de lumière.
Cette recherche de photons sombres est venue vide - tous les photons normaux étaient présents et pris en compte - mais cela n'exclut pas entièrement l'existence de photons sombres. Au lieu de cela, il limite les propriétés admissibles de ces particules. S'ils existent, ils seraient de faible énergie (moins d'un GeV, d'après les résultats de l'expérience) et n'interagiraient que rarement avec des photons réguliers.
La recherche de photons sombres se poursuit, cependant, avec de futures séries de l'expérience qui s'installeront encore plus loin sur cette créature proposée du monde subatomique.
Lire la suite: "Recherche de matière noire dans les événements énergétiques manquants avec NA64"
Paul M. Sutter est astrophysicien à Université d'État de l'Ohio, hôte de "Demandez à un astronaute" et "Radio spatiale, "et auteur de"Votre place dans l'univers."
