Les théories WIMP conventionnelles prédisent que les particules de matière noire interagissent rarement les unes avec les autres, et seulement faiblement avec la matière normale. Hitoshi Murayama de l'UC Berkeley et Yonit Hochberg de l'Université hébraïque prédisent que la matière noire SIMPs, composé d'un quark et d'un antiquark, entreraient en collision et interagiraient fortement les uns avec les autres, produisant des effets notables lorsque la matière noire dans les galaxies entre en collision. Crédit :Kavli IPMU graphique
L'intensif, recherche mondiale de matière noire, la masse manquante dans l'univers, n'a jusqu'à présent pas réussi à trouver une abondance d'obscurité, des étoiles massives ou des grappes de nouvelles particules étranges interagissant faiblement, mais un nouveau candidat gagne lentement des adeptes et un soutien d'observation.
Appelées SIMPs - particules massives à interaction forte - elles ont été proposées il y a trois ans par l'Université de Californie, Le physicien théoricien de Berkeley Hitoshi Murayama, professeur de physique et directeur du Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) au Japon, et ancien postdoctorant de l'UC Berkeley Yonit Hochberg, maintenant à l'Université hébraïque d'Israël.
Murayama dit que les récentes observations d'un empilement galactique à proximité pourraient être la preuve de l'existence de SIMP, et il prévoit que les futures expériences de physique des particules découvriront l'un d'entre eux.
Murayama a discuté de ses dernières idées théoriques sur les SIMP et de la façon dont les galaxies en collision soutiennent la théorie dans une conférence invitée le 4 décembre au 29e Symposium du Texas sur l'astrophysique relativiste à Cape Town, Afrique du Sud.
Les astronomes ont calculé que la matière noire, tandis qu'invisible, représente environ 85 pour cent de la masse de l'univers. La preuve la plus solide de son existence est le mouvement des étoiles à l'intérieur des galaxies :sans une goutte invisible de matière noire, les galaxies s'envoleraient. Dans certaines galaxies, les étoiles visibles sont si rares que la matière noire représente 99,9% de la masse de la galaxie.
Les théoriciens ont d'abord pensé que cette matière invisible n'était qu'une matière normale trop faible pour être vue :des étoiles ratées appelées naines brunes, étoiles grillées ou trous noirs. Pourtant, les objets de halo compacts et massifs - les MACHO - ont échappé à la découverte, et plus tôt cette année, une étude de la galaxie d'Andromède par le télescope Subaru a fondamentalement exclu toute population importante non découverte de trous noirs. Les chercheurs ont recherché des trous noirs laissés par le tout premier univers, les trous noirs primordiaux, en recherchant les éclaircissements soudains produits lorsqu'ils passent devant les étoiles d'arrière-plan et agissent comme une lentille faible. Ils en ont trouvé exactement un - trop peu pour contribuer de manière significative à la masse de la galaxie.
La structure fondamentale du SIMP proposé (particule massive à interaction forte) est similaire à celle d'un pion (à gauche). Les pions sont composés d'un quark up et d'un antiquark down, avec un gluon (g) les tenant ensemble. Un SIMP serait composé d'un quark et d'un antiquark maintenus ensemble par un gluon (G). Crédit :Kavli IPMU graphique
"Cette étude a pratiquement éliminé la possibilité de MACHO ; je dirais que c'est à peu près disparu, " dit Murayama.
Les WIMPs - des particules massives interagissant faiblement - n'ont pas fait mieux, bien qu'elle ait été au centre de l'attention des chercheurs depuis plusieurs décennies. Ils devraient être relativement gros - environ 100 fois plus lourds que le proton - et interagir si rarement les uns avec les autres qu'ils sont qualifiés d'interaction "faible". On pensait qu'ils interagissaient plus fréquemment avec la matière normale par gravité, aider à attirer la matière normale dans des amas qui se transforment en galaxies et finissent par engendrer des étoiles.
Les SIMP interagissent avec eux-mêmes, mais pas les autres
SIMP, comme les WIMPs et les MACHOs, aurait théoriquement été produit en grande quantité au début de l'histoire de l'univers et s'est depuis refroidi jusqu'à la température cosmique moyenne. Mais contrairement aux WIMPs, Les SIMP sont théorisés pour interagir fortement avec eux-mêmes via la gravité mais très faiblement avec la matière normale. Une possibilité proposée par Murayama est qu'un SIMP est une nouvelle combinaison de quarks, qui sont les composants fondamentaux des particules comme le proton et le neutron, appelés baryons. Alors que les protons et les neutrons sont composés de trois quarks, un SIMP ressemblerait davantage à un pion en n'en contenant que deux :un quark et un antiquark.
Le SIMP serait plus petit qu'un WIMP, avec une taille ou une section transversale comme celle d'un noyau atomique, ce qui implique qu'il y en a plus qu'il n'y aurait de WIMPs. Un plus grand nombre signifierait que, malgré leur faible interaction avec la matière normale - principalement en se dispersant, au lieu de fusionner avec ou de se décomposer dans la matière normale - ils laisseraient toujours une empreinte digitale sur la matière normale, dit Murayama.
Il voit une telle empreinte digitale dans quatre galaxies en collision au sein de l'amas Abell 3827, où, étonnamment, la matière noire semble en retard sur la matière visible. Cela pourrait s'expliquer, il a dit, par des interactions entre la matière noire dans chaque galaxie qui ralentissent la fusion de la matière noire mais pas celle de la matière normale, essentiellement des étoiles.
Les théories WIMP conventionnelles prédisent une distribution à pic très élevé, ou cuspide, de matière noire dans une petite zone au centre de chaque galaxie. La théorie SIMP prédit une propagation de la matière noire au centre, ce qui est plus typique des galaxies naines. Crédit :Kavli IPMU graphique basé sur la NASA, Images STScI
"Une façon de comprendre pourquoi la matière noire est en retard sur la matière lumineuse est que les particules de matière noire ont en fait une taille finie, ils s'éparpillent les uns contre les autres, alors quand ils veulent se déplacer vers le reste du système, ils sont repoussés, " dit Murayama. " Cela expliquerait l'observation. C'est le genre de chose prédit par ma théorie de la matière noire étant un état lié de nouveaux types de quarks."
Les SIMP surmontent également un échec majeur de la théorie WIMP :la capacité d'expliquer la distribution de la matière noire dans les petites galaxies.
"Il y a eu cette énigme de longue date :si vous regardez les galaxies naines, qui sont très petites avec assez peu d'étoiles, ils sont vraiment dominés par la matière noire. Et si vous faites des simulations numériques de la façon dont la matière noire s'agglutine, ils prédisent toujours qu'il y a une énorme concentration vers le centre. Une cuspide, " dit Murayama. " Mais les observations semblent suggérer que la concentration est plus plate :un noyau au lieu d'une cuspide. Le problème noyau/cuspide a été considéré comme l'un des problèmes majeurs avec la matière noire qui n'interagit pas autrement que par gravité. Mais si la matière noire a une taille finie, comme un SIMP, les particules peuvent « clinker » et se disperser, et cela aplatirait en fait le profil de masse vers le centre. C'est une autre "preuve" pour ce genre d'idée théorique."
Recherches en cours pour les WIMPs et les axions
Des expériences au sol pour rechercher des SIMP sont prévues, principalement dans des accélérateurs comme le Large Hadron Collider au CERN à Genève, où les physiciens sont toujours à la recherche de particules inconnues qui correspondent à de nouvelles prédictions. Une autre expérience au projet de collisionneur linéaire international au Japon pourrait également être utilisée pour rechercher des SIMP.
Alors que Murayama et ses collègues affinent la théorie des SIMP et cherchent des moyens de les trouver, la recherche de WIMPs continue. L'expérience de matière noire Large Underground Xenon (LUX) dans une mine souterraine du Dakota du Sud a fixé des limites strictes à ce à quoi peut ressembler une WIMP, et une expérience améliorée appelée LZ repoussera ces limites plus loin. Daniel McKinsey, un professeur de physique à l'UC Berkeley, est l'un des co-porte-parole de cette expérimentation, en étroite collaboration avec Lawrence Berkeley National Laboratory, où Murayama est chercheur principal à la faculté.
Cette image du télescope spatial Hubble de l'amas de galaxies Abell 3827 montre la collision en cours de quatre galaxies brillantes et d'une galaxie centrale faible, ainsi que des étoiles de premier plan dans notre galaxie de la Voie lactée et des galaxies derrière l'amas (Arc B et image à lentille A) qui sont déformées en raison de la matière normale et noire dans l'amas. Les SIMP pourraient expliquer pourquoi la matière noire, invisible mais détectable à cause de la lentille, est en retard sur la matière normale dans la collision. Crédit :Université de Californie - Berkeley
Les physiciens recherchent également d'autres candidats à la matière noire qui ne sont pas des WIMPs. La faculté de l'UC Berkeley est impliquée dans deux expériences à la recherche d'une particule hypothétique appelée axion, qui peut répondre aux exigences de la matière noire. L'expérience de précession de spin de l'axe cosmique (CASPEr), dirigé par Dmitry Budker, un professeur émérite de physique qui est maintenant à l'Université de Mayence en Allemagne, et le théoricien Surjeet Rajendran, un professeur de physique à l'UC Berkeley, envisage de rechercher des perturbations du spin nucléaire causées par un champ d'axions. Karl van Bibber, professeur de génie nucléaire, joue un rôle clé dans l'expérience Axion Dark Matter - High Frequency (ADMX-HF), qui cherche à détecter les axions à l'intérieur d'une cavité micro-ondes dans un champ magnétique puissant lorsqu'ils se convertissent en photons.
"Bien sûr, nous ne devrions pas abandonner la recherche de WIMPs, " Murayama a dit, "mais les limites expérimentales deviennent vraiment, vraiment important. Une fois arrivé au niveau de la mesure, où nous serons dans un futur proche, même les neutrinos finissent par être la toile de fond de l'expérience, ce qui est inimaginable."
Les neutrinos interagissent si rarement avec la matière normale qu'on estime que 100 000 milliards de dollars traversent notre corps chaque seconde sans que nous nous en rendions compte, quelque chose qui les rend extrêmement difficiles à détecter.
"Le consensus de la communauté est en quelque sorte, nous ne savons pas jusqu'où nous devons aller, mais au moins nous devons descendre à ce niveau, " il a ajouté. " Mais parce qu'il n'y a certainement aucun signe d'apparition de WIMPs, les gens commencent à penser plus largement ces jours-ci. Arrêtons-nous et réfléchissons-y à nouveau."
