Des chercheurs de Russie, Finlande, et les États-Unis ont imposé une contrainte sur le modèle théorique des particules de matière noire en analysant les données des observations astronomiques des noyaux galactiques actifs. Les nouvelles découvertes constituent une incitation supplémentaire pour les groupes de recherche du monde entier qui tentent de percer le mystère de la matière noire :personne ne sait vraiment de quoi elle est faite. Le document a été publié dans le Journal de cosmologie et de physique des astroparticules .

La question de savoir quelles particules composent la matière noire est cruciale pour la physique des particules moderne. Malgré les attentes selon lesquelles des particules de matière noire seraient découvertes au Grand collisionneur de hadrons, cela ne s'est pas produit. Un certain nombre d'hypothèses alors dominantes sur la nature de la matière noire ont dû être rejetées. Diverses observations indiquent que la matière noire existe, mais apparemment quelque chose d'autre que les particules dans le modèle standard le constitue. Les physiciens doivent donc envisager d'autres options plus complexes. Le modèle standard doit être étendu. Parmi les candidats à l'inclusion, il y a des particules hypothétiques qui peuvent avoir des masses comprises entre 10?²? à 10 ? fois la masse de l'électron. C'est-à-dire, la particule spéculée la plus lourde a une masse de 40 ordres de grandeur supérieure à celle de la plus légère.

Un modèle théorique traite la matière noire comme étant constituée de particules ultralégères. Ceci offre une explication pour de nombreuses observations astronomiques. Cependant, de telles particules seraient si légères qu'elles interagiraient très faiblement avec d'autres matières et lumière, ce qui les rend extrêmement difficiles à étudier. Il est presque impossible de repérer une particule de ce genre dans un laboratoire, les chercheurs se tournent donc vers les observations astronomiques.

"Nous parlons de particules de matière noire qui sont 28 ordres de grandeur plus légères que l'électron. Cette notion est d'une importance critique pour le modèle que nous avons décidé de tester. L'interaction gravitationnelle est ce qui trahit la présence de matière noire. Si nous expliquons tous les masse de matière noire observée en termes de particules ultralégères, cela voudrait dire qu'il y en a énormément. Mais avec des particules aussi légères que celles-ci, la question se pose :comment les protéger de l'acquisition de masse effective due aux corrections quantiques ? Les calculs montrent qu'une réponse possible serait que ces particules interagissent faiblement avec les photons, c'est-à-dire avec un rayonnement électromagnétique. Cela offre un moyen beaucoup plus facile de les étudier :en observant le rayonnement électromagnétique dans l'espace, " a déclaré Sergueï Troitsky, co-auteur de l'article et chercheur en chef à l'Institut de recherche nucléaire de l'Académie des sciences de Russie.

Lorsque le nombre de particules est très élevé, au lieu de particules individuelles, vous pouvez les traiter comme un champ d'une certaine densité imprégnant l'univers. Ce champ oscille de manière cohérente sur des domaines dont la taille est de l'ordre de 100 parsecs, soit environ 325 années-lumière. Ce qui détermine la période d'oscillation est la masse des particules. Si le modèle considéré par les auteurs est correct, cette période devrait être d'environ un an. Lorsqu'un rayonnement polarisé traverse un tel champ, le plan de polarisation du rayonnement oscille avec la même période. Si des changements périodiques comme celui-ci se produisent, les observations astronomiques peuvent les révéler. Et la longueur de la période - une année terrestre - est très commode, car de nombreux objets astronomiques sont observés sur plusieurs années, ce qui suffit pour que les changements de polarisation se manifestent.

Les auteurs de l'article ont décidé d'utiliser les données des radiotélescopes terrestres, car ils reviennent plusieurs fois aux mêmes objets astronomiques au cours d'un cycle d'observations. De tels télescopes peuvent observer à distance des noyaux galactiques actifs, des régions de plasma surchauffé proches des centres des galaxies. Ces régions émettent un rayonnement fortement polarisé. En les observant, on peut suivre l'évolution de l'angle de polarisation sur plusieurs années.

"Au début, il semblait que les signaux des objets astronomiques individuels présentaient des oscillations sinusoïdales. Mais le problème était que la période sinusoïdale doit être déterminée par la masse des particules de matière noire, ce qui signifie qu'il doit être le même pour chaque objet. Il y avait 30 objets dans notre échantillon. Et il se peut que certains d'entre eux aient oscillé en raison de leur propre physique interne, mais peu importe, les périodes n'étaient jamais les mêmes, » poursuit Troitsky. « Cela signifie que l'interaction de nos particules ultralégères avec le rayonnement pourrait bien être limitée. Nous ne disons pas que de telles particules n'existent pas, mais nous avons démontré qu'ils n'interagissent pas avec les photons, mettant une contrainte sur les modèles disponibles décrivant la composition de la matière noire."

« Imaginez à quel point c'était excitant ! Vous passez des années à étudier les quasars, quand un jour les physiciens théoriciens arrivent, et les résultats de nos mesures de polarisation à haute précision et à haute résolution angulaire sont soudainement utiles pour comprendre la nature de la matière noire, " ajoute avec enthousiasme Youri Kovalev, co-auteur de l'étude et directeur de laboratoire à l'Institut de physique et de technologie de Moscou et à l'Institut de physique Lebedev de l'Académie des sciences de Russie.

À l'avenir, l'équipe prévoit de rechercher des manifestations de particules de matière noire hypothétiques plus lourdes proposées par d'autres modèles théoriques. Cela nécessitera de travailler dans différentes gammes spectrales et d'utiliser d'autres techniques d'observation. Selon Troitski, les contraintes sur les modèles alternatifs sont plus strictes.

"À l'heure actuelle, le monde entier est engagé dans la recherche de particules de matière noire. C'est l'un des grands mystères de la physique des particules. À ce jour, aucun modèle n'est accepté comme favori, mieux développé, ou plus plausible au regard des données expérimentales disponibles. Nous devons tous les tester. Incommodément, la matière noire est "sombre" dans le sens où elle interagit à peine avec quoi que ce soit, surtout avec la lumière. Apparemment, dans certains scénarios, cela pourrait avoir un léger effet sur les ondes lumineuses qui le traversent. Mais d'autres scénarios ne prévoient aucune interaction entre notre monde et la matière noire, autres que ceux médiés par la gravité. Cela rendrait ses particules très difficiles à trouver, " conclut Troitsky.