Près d'un quart de l'univers se trouve littéralement dans l'ombre. Selon les théories des cosmologistes, 25,8% de celui-ci est constitué de matière noire, dont la présence n'est signalée essentiellement que par son attraction gravitationnelle. En quoi consiste cette substance reste un mystère. Hermann Nicolaï, Directeur au Max Planck Institute for Gravitational Physics à Potsdam, et son collègue Krzysztof Meissner de l'Université de Varsovie ont maintenant proposé un nouveau candidat, un gravitino superlourd. L'existence de cette particule encore hypothétique découle d'une hypothèse qui cherche à expliquer comment le spectre observé des quarks et des leptons dans le modèle standard de la physique des particules pourrait émerger d'une théorie fondamentale. En outre, les chercheurs décrivent une méthode possible pour réellement traquer cette particule.

Le modèle standard de la physique des particules englobe les éléments constitutifs de la matière et les forces qui les maintiennent ensemble. Il indique qu'il existe six quarks différents et six leptons regroupés en trois « familles ». Cependant, la matière qui nous entoure et nous-mêmes ne sommes finalement constitués que de trois particules de la première famille :les quarks up et down et l'électron, qui fait partie de la famille des leptons.

Jusqu'à maintenant, ce modèle standard établi de longue date est resté inchangé. Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN à Genève a été mis en service il y a une dizaine d'années dans le but principal d'explorer ce qui pourrait se trouver au-delà. Cependant, après dix ans de prise de données, les scientifiques n'ont détecté aucune nouvelle particule élémentaire, en dehors du boson de Higgs, malgré les attentes largement répandues du contraire. En d'autres termes, jusqu'à maintenant, les mesures avec le LHC n'ont fourni aucun indice d'une « nouvelle physique » au-delà du modèle standard. Ces résultats contrastent fortement avec les nombreuses extensions proposées de ce modèle qui suggèrent un grand nombre de nouvelles particules.

Dans un article précédent publié dans Lettres d'examen physique , Hermann Nicolai et Krzysztof Meissner ont présenté une nouvelle hypothèse qui cherche à expliquer pourquoi seules les particules élémentaires déjà connues se présentent comme des éléments de base de la matière dans la nature - et pourquoi, contrairement à ce que l'on pensait auparavant, aucune nouvelle particule n'est à attendre dans la gamme d'énergie accessible aux expériences actuelles ou futures envisageables.

En outre, les deux chercheurs postulent l'existence de gravitinos supermassifs, qui pourraient être des candidats très inhabituels pour la matière noire. Dans une seconde publication, récemment paru dans la revue Examen physique D , ils ont également présenté une proposition sur la façon de traquer ces gravitinos.

Dans leur travail, Nicolai et Meissner reprennent une vieille idée du lauréat du prix Nobel Murray Gell-Mann qui est basée sur la théorie "N=8 Supergravity". Un élément clé de leur proposition est un nouveau type de symétrie de dimension infinie qui vise à expliquer le spectre observé des quarks et leptons connus dans trois familles. "Notre hypothèse ne produit en fait aucune particule supplémentaire pour la matière ordinaire qui devrait ensuite être débattue car elles n'apparaissent pas dans les expériences sur les accélérateurs, " dit Hermann Nicolai. " Par contraste, notre hypothèse peut en principe expliquer précisément ce que nous voyons, en particulier la réplication des quarks et des leptons dans trois familles."

Cependant, les processus dans le cosmos ne peuvent pas être entièrement expliqués par la matière ordinaire dont nous sommes déjà conscients. Un signe en sont les galaxies :elles tournent à grande vitesse, et la matière visible dans l'univers, qui ne représente qu'environ 5 % de la matière de l'univers, ne suffirait pas à les maintenir ensemble. Jusque là, cependant, personne ne sait de quoi est fait le reste, malgré de nombreuses suggestions. La nature de la matière noire est donc l'une des questions sans réponse les plus importantes en cosmologie.

"L'attente commune est que la matière noire est composée d'une particule élémentaire, et qu'il n'a pas encore été possible de détecter cette particule car elle interagit avec la matière ordinaire presque exclusivement par la force gravitationnelle, " explique Hermann Nicolai. Le modèle développé en collaboration avec Krzysztof Meissner offre un nouveau candidat pour une particule de matière noire de ce type, bien qu'un avec des propriétés complètement différentes de tous les candidats discutés jusqu'à présent, comme les axions ou les WIMPs. Ces dernières n'interagissent que très faiblement avec la matière connue. Il en va de même pour les gravitinos très légers qui ont été proposés à plusieurs reprises comme candidats à la matière noire en relation avec la supersymétrie de basse énergie. Cependant, la présente proposition va dans une direction complètement différente, en ce qu'il n'attribue plus de rôle primordial à la supersymétrie, même si le schéma descend de la supergravité maximale N=8. "En particulier, notre schéma prédit l'existence de gravitinos superlourds, qui, contrairement aux candidats habituels et contrairement aux gravitinos légers précédemment considérés, interagiraient également fortement et électromagnétiquement avec la matière ordinaire, " dit Hermann Nicolai.

Leur masse importante signifie que ces particules ne pouvaient apparaître que sous une forme très diluée dans l'univers; autrement, ils « refermeraient » l'univers et conduiraient ainsi à son effondrement précoce. Selon le chercheur Max Planck, il n'en faudrait pas beaucoup pour expliquer le contenu de matière noire dans l'univers et dans notre galaxie - une particule sur 10, 000 kilomètres cubes suffiraient. La masse de la particule postulée par Nicolai et Meissner se situe dans la région de la masse de Planck, c'est-à-dire environ un cent millionième de kilogramme. En comparaison, les protons et les neutrons, les éléments constitutifs du noyau atomique, sont environ dix quintillions (dix millions de milliards) de fois plus légers. Dans l'espace intergalactique, la densité serait encore beaucoup plus faible.

"La stabilité de ces gravitinos lourds dépend de leurs nombres quantiques inhabituels (charges), " dit Nicolai. " Plus précisément, il n'y a tout simplement pas d'états finaux avec les charges correspondantes dans le modèle standard dans lequel ces gravitinos pourraient se désintégrer - sinon, ils auraient disparu peu de temps après le Big Bang."

Leurs interactions fortes et électromagnétiques avec la matière connue peuvent rendre ces particules de matière noire plus faciles à localiser malgré leur extrême rareté. Une possibilité est de les rechercher avec des mesures de temps de vol dédiées en profondeur, comme ces particules se déplacent beaucoup plus lentement que la vitesse de la lumière, contrairement aux particules élémentaires ordinaires provenant du rayonnement cosmique. Néanmoins, ils pénétreraient la Terre sans effort en raison de leur grande masse, comme un boulet de canon qui ne peut être arrêté par un essaim de moustiques.

Ce fait donne aux chercheurs l'idée d'utiliser notre planète elle-même comme un « paléo-détecteur » :la Terre est en orbite dans l'espace interplanétaire depuis quelque 4,5 milliards d'années, pendant laquelle il a dû être pénétré par plusieurs de ces gravitinos massifs. Dans le processus, les particules auraient dû partir longtemps, pistes d'ionisation rectilignes dans la roche, mais il peut ne pas être facile de les distinguer des traces causées par des particules connues. « Les rayonnements ionisants sont connus pour provoquer des défauts de réseau dans les structures cristallines. Il peut être possible de détecter des reliques de telles pistes d'ionisation dans des cristaux qui restent stables pendant des millions d'années, " explique Hermann Nicolai. En raison de sa longue " durée d'exposition ", une telle stratégie de recherche pourrait également être efficace dans le cas où la matière noire n'est pas distribuée de manière homogène à l'intérieur des galaxies mais soumise à des fluctuations de densité locales - ce qui pourrait également expliquer l'échec des recherches d'obscurité plus conventionnelle. comptent les candidats jusqu'à présent.