A la recherche de la mystérieuse matière noire, les physiciens ont utilisé des calculs informatiques élaborés pour arriver à un aperçu des particules de cette forme inconnue de matière. Pour faire ça, les scientifiques ont étendu le succès du modèle standard de la physique des particules qui leur a permis, entre autres, pour prédire la masse des soi-disant axions, candidats prometteurs pour la matière noire. L'équipe de chercheurs germano-hongroise dirigée par le professeur Zoltán Fodor de l'Université de Wuppertal, L'Université Eötvös de Budapest et le Forschungszentrum Jülich ont effectué ses calculs sur le supercalculateur de Jülich JUQUEEN (BlueGene/Q) et présente ses résultats dans la revue La nature .

"La matière noire est une forme de matière invisible qui jusqu'à présent ne s'est révélée que par ses effets gravitationnels. En quoi elle consiste reste un mystère complet, " explique le co-auteur Dr Andreas Ringwald, qui est basé à DESY et qui a proposé les recherches en cours. La preuve de l'existence de cette forme de matière vient, entre autres, de l'observation astrophysique des galaxies, qui tournent beaucoup trop rapidement pour être maintenus ensemble uniquement par l'attraction gravitationnelle de la matière visible. Des mesures de haute précision utilisant le satellite européen "Planck" montrent que près de 85 pour cent de la masse totale de l'univers est constituée de matière noire. Toutes les étoiles, planètes, les nébuleuses et autres objets dans l'espace qui sont faits de matière conventionnelle ne représentent pas plus de 15 pour cent de la masse de l'univers.

"L'adjectif 'sombre' ne signifie pas simplement qu'il n'émet pas de lumière visible, " dit Ringwald. " Il ne semble pas non plus émettre d'autres longueurs d'onde - son interaction avec les photons doit être très faible en effet. " Pendant des décennies, les physiciens ont recherché des particules de ce nouveau type de matière. Ce qui est clair, c'est que ces particules doivent se situer au-delà du modèle standard de la physique des particules, et bien que ce modèle soit extrêmement réussi, il ne décrit actuellement que les 15 pour cent conventionnels de toute la matière dans le cosmos. Des extensions théoriquement possibles au modèle standard, les physiciens n'attendent pas seulement une compréhension plus approfondie de l'univers, mais aussi des indices concrets dans quelle gamme d'énergie il est particulièrement intéressant de rechercher des candidats de matière noire.

La forme inconnue de la matière peut consister en relativement peu, mais des particules très lourdes, ou d'un grand nombre de lumières. Les recherches directes de candidats de matière noire lourde à l'aide de grands détecteurs dans des laboratoires souterrains et leur recherche indirecte à l'aide de grands accélérateurs de particules sont toujours en cours, mais n'ont pour l'instant révélé aucune particule de matière noire. Une gamme de considérations physiques font des particules extrêmement légères, axions surnommés, candidats très prometteurs. En utilisant des configurations expérimentales intelligentes, il pourrait même être possible d'en détecter des preuves directes. "Toutefois, pour trouver ce genre de preuves, il serait extrêmement utile de savoir quel type de masse nous recherchons, " souligne le physicien théoricien Ringwald. " Sinon, la recherche pourrait prendre des décennies, car il faudrait scanner une plage beaucoup trop large."

L'existence des axions est prédite par une extension à la chromodynamique quantique (QCD), la théorie quantique qui régit l'interaction forte, responsable de la force nucléaire. L'interaction forte est l'une des quatre forces fondamentales de la nature aux côtés de la gravitation, l'électromagnétisme et la force nucléaire faible, qui est responsable de la radioactivité. "Des considérations théoriques indiquent qu'il existe des fluctuations quantiques dites topologiques dans la chromodynamique quantique, ce qui devrait entraîner une violation observable de la symétrie de retournement du temps, " explique Ringwald. Cela signifie que certains processus doivent différer selon qu'ils se déroulent en avant ou en arrière. Cependant, aucune expérience n'est parvenue jusqu'à présent à démontrer cet effet.

L'extension à la chromodynamique quantique (QCD) restaure l'invariance des retournements temporels, mais en même temps il prédit l'existence d'une particule interagissant très faiblement, l'axion, dont les propriétés, en particulier sa masse, dépendent de la force des fluctuations quantiques topologiques. Cependant, il faut des superordinateurs modernes comme le JUQUEEN de Jülich pour calculer ce dernier dans la plage de température pertinente pour prédire la contribution relative des axions à la matière constituant l'univers. "En plus de cela, nous avons dû développer de nouvelles méthodes d'analyse afin d'atteindre la plage de température requise, " note Fodor qui a dirigé les recherches.

Les résultats montrent, entre autres, que si les axions constituent la majeure partie de la matière noire, ils doivent avoir une masse de 50 à 1500 micro-électronvolts, exprimé dans les unités usuelles de la physique des particules, et ainsi être jusqu'à dix milliards de fois plus léger que les électrons. Cela nécessiterait que chaque centimètre cube de l'univers contienne en moyenne dix millions de ces particules ultralégères. La matière noire n'est pas répartie uniformément dans l'univers, cependant, mais forme des touffes et des branches d'un réseau semblable à une toile. À cause de ce, notre région locale de la Voie lactée devrait contenir environ mille milliards d'axions par centimètre cube.

Grâce au supercalculateur Jülich, les calculs fournissent désormais aux physiciens une fourchette concrète dans laquelle leur recherche d'axions est susceptible d'être la plus prometteuse. "Les résultats que nous présentons conduiront probablement à une course à la découverte de ces particules, " dit Fodor. Leur découverte ne résoudrait pas seulement le problème de la matière noire dans l'univers, mais en même temps répondre à la question de savoir pourquoi l'interaction forte est si étonnamment symétrique par rapport à l'inversion du temps. Les scientifiques s'attendent à ce qu'il soit possible dans les prochaines années de confirmer ou d'exclure expérimentalement l'existence d'axions.

L'Institut de recherche nucléaire de l'Académie hongroise des sciences à Debrecen, le groupe de recherche Lendület Lattice Gauge Theory de l'Université d'Eötvös, l'Université de Saragosse en Espagne, et l'Institut Max Planck de physique de Munich ont également participé à la recherche.