Figure décrivant le mécanisme proposé par les chercheurs. Crédit :Kim &Kuflik.
Les astrophysiciens recherchent la matière noire depuis plusieurs décennies, mais ces recherches ont jusqu'à présent donné des résultats décevants. Dans une étude récente, deux chercheurs de l'Institut des sciences Weizmann et de l'Université hébraïque de Jérusalem en Israël ont introduit un nouveau cadre théorique décrivant un mécanisme de la matière noire thermique élémentaire avec une masse jusqu'à 10 14 GeV.
La matière noire considérée dans leur travail se compose de plusieurs particules presque dégénérées qui se dispersent dans la chaîne du plus proche voisin d'une manière alignée sur le modèle standard utilisé dans les études sur la matière noire. Le nouveau cadre présenté par ces chercheurs, décrit dans un article publié dans Lettres d'examen physique , pourrait finalement éclairer les futures recherches de matière noire lourde.
"La nature de la matière noire est un problème de longue date dans la physique moderne, " Hyungjin Kim, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Une particule aussi lourde que le boson de Higgs, et est impliqué dans des interactions dont la force est celle de l'interaction électrofaible, est considéré comme un candidat à la matière noire particulièrement bien motivé, comme cela se pose souvent naturellement lorsqu'on aborde un autre problème clé :la hiérarchie entre l'échelle électrofaible et l'échelle de Planck."
La particule qui est considérée comme un bon candidat pour la matière noire, connue sous le nom de particule massive à interaction faible (WIMP), pourrait être produit naturellement à partir d'interactions entre des particules modèles standard dans l'univers primitif alors qu'elles sont en équilibre thermique. Ce processus particulier porte le nom de « mécanisme de congélation thermique ».
Basé sur la théorie actuelle de l'astrophysique, l'abondance finale des WIMPs dans notre univers aujourd'hui serait donc insensible aux détails des conditions initiales ou des paramètres du modèle. Cependant, une tradition commune provenant d'un article de 1990 de Kim Griest et Marc Kamionkowski suggère que ce mécanisme de congélation thermique ne fonctionne pas lorsque la matière noire est plus lourde que 100 TeV (c'est-à-dire, mille fois plus lourd que le boson de Higgs).
« Dans notre récent article, nous prouvons que cette tradition commune est fausse et montrons que le gel thermique est possible même lorsque la matière noire est de plusieurs ordres de grandeur plus lourde que la masse de Higgs, s'il y a un ensemble de particules sombres qui dispersent les particules du modèle standard avec des interactions avec les plus proches voisins, " Eric Kuflik, l'autre chercheur à l'origine de l'étude, mentionné. "L'abondance des reliques de la matière noire est ensuite déterminée par des interactions stochastiques entre les particules sombres et les particules du modèle standard."
Le mécanisme proposé par Kim et Kuflik décrit un ensemble de particules de matière noire se dispersant avec la matière ordinaire par des interactions de plus proches voisins, qui changent entre les espèces. En d'autres termes, cela suggère que la matière noire fait une « marche aléatoire » parmi les espèces de matière noire, en constante évolution d'identité. Sur la base du cadre introduit par les chercheurs, donc, l'abondance de matière noire est déterminée thermiquement dans l'univers primitif, permettant des masses de matière noire extrêmement lourdes.
"Nous avons montré que la matière noire peut être produite à partir du bain thermal de l'univers primitif tout en étant en équilibre thermique, même pour des masses de matière noire sensiblement plus lourdes que la sagesse conventionnelle ne le permettrait, " Kim a expliqué. " Fait intéressant, l'abondance des particules de matière noire dans notre scénario ne dépend que de la force d'interaction des particules sombres avec les particules du modèle standard."
Le nouveau cadre développé par Kim et Kuflik pourrait avoir des implications importantes pour les études portant sur le fond diffus cosmologique, formation de structures et rayons cosmiques. En outre, il pourrait servir de référence pour les recherches expérimentales de matière noire lourde, car cela suggère que les désintégrations en particules de matière ordinaires dans l'univers tardif pourraient laisser des signatures astrophysiques et cosmologiques intéressantes, que les chercheurs pourraient rechercher lors de la recherche de matière noire.
« Il y a deux directions prometteuses que nous espérons poursuivre dans nos futurs travaux, " dit Kim. " D'abord, notre mécanisme prédit inévitablement la désintégration des particules de matière noire en particules du modèle standard tout au long de l'histoire de l'univers. Cela pourrait laisser des signatures astrophysiques intéressantes, tels que les rayons cosmiques à ultra-haute énergie et ainsi de suite. Les implications pour la cosmologie sont également intéressantes."
Jusque là, Kim et Kuflik ont décrit l'idée de base de la matière noire superlourde et en ont fourni un « modèle jouet simple » en paramétrant la force d'interaction entre les particules sombres et les particules modèles standard. Dans leurs prochaines études, cependant, Kim et Kuflik prévoient de mener une étude détaillée des théories de la physique des particules qui pourraient comprendre leur mécanisme de matière noire thermique superlourde.
"Des réalisations explicites en physique des particules aideront à identifier la suite complète de signaux expérimentaux prédits par le mécanisme, qui nous apprendra les meilleurs moyens d'exclure ou de détecter une telle matière noire, " ajouta Kuflik.
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