Les physiciens théoriques du pôle d'excellence PRISMA+ de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence travaillent sur une théorie qui va au-delà du modèle standard de la physique des particules et peut répondre à des questions auxquelles le modèle standard doit réussir, par exemple, par rapport aux hiérarchies des masses de particules élémentaires ou à l'existence de la matière noire. L'élément central de la théorie est une dimension supplémentaire dans l'espace-temps. Jusqu'à maintenant, les scientifiques ont été confrontés au problème que les prédictions de leur théorie ne pouvaient pas être testées expérimentalement. Ils ont maintenant surmonté ce problème dans une publication dans le numéro actuel de la Revue Physique Européenne C .

Déjà dans les années 1920, dans une tentative d'unifier les forces de gravité et d'électromagnétisme, Theodor Kaluza et Oskar Klein ont spéculé sur l'existence d'une dimension supplémentaire au-delà des trois dimensions de l'espace et du temps familiers, qui en physique sont combinés en un espace-temps à 4 dimensions. S'il existe, une telle nouvelle dimension devrait être incroyablement petite et imperceptible à l'œil humain. À la fin des années 1990, cette idée a connu une renaissance remarquable, quand on s'est rendu compte que l'existence d'une cinquième dimension pouvait résoudre certaines des questions profondes et ouvertes de la physique des particules. En particulier, Yuval Grossman de l'Université de Stanford et Matthias Neubert, puis professeur à l'Université Cornell, a montré dans une publication très citée que l'intégration du modèle standard de la physique des particules dans un espace-temps à 5 dimensions pourrait expliquer les motifs jusqu'ici mystérieux observés dans les masses de particules élémentaires.

Encore 20 ans plus tard, le groupe de Matthias Neubert—depuis 2006 à la faculté de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence (Allemagne) et porte-parole du Pôle d'excellence PRISMA+—a fait une autre découverte inattendue :ils ont découvert que les équations de champ en 5 dimensions prédisaient l'existence d'un nouveau, particule lourde avec des propriétés similaires au fameux boson de Higgs mais une masse beaucoup plus lourde - donc lourde, En réalité, qu'il ne peut pas être produit même dans le collisionneur de particules à la plus haute énergie au monde :le Large Hadron Collider (LHC) du Centre européen de recherche nucléaire CERN près de Genève (Suisse). "C'était un cauchemar", rappelle Javier Castellano Ruiz, un doctorat étudiant impliqué dans la recherche, "nous étions enthousiasmés par l'idée que notre théorie prédit une nouvelle particule, mais il semblait impossible de confirmer cette prédiction dans une expérience prévisible. »

Le détour par la cinquième dimension

Dans un article récent publié dans le Revue Physique Européenne C , les chercheurs ont trouvé une résolution spectaculaire à ce dilemme. Ils ont découvert que leur particule proposée serait nécessairement la médiation d'une nouvelle force entre les particules élémentaires connues (notre univers visible) et la mystérieuse matière noire (le secteur sombre). Même l'abondance de matière noire dans le cosmos, comme observé dans les expériences astrophysiques, peut s'expliquer par leur théorie. Cela offre de nouvelles façons passionnantes de rechercher les constituants de la matière noire - littéralement via un détour par la dimension supplémentaire - et d'obtenir des indices sur la physique à un stade très précoce de l'histoire de notre univers, quand la matière noire a été produite. "Après des années de recherche de confirmations possibles de nos prédictions théoriques, nous sommes maintenant convaincus que le mécanisme que nous avons découvert rendrait la matière noire accessible aux expériences à venir, parce que les propriétés de la nouvelle interaction entre la matière ordinaire et la matière noire - qui est médiée par notre particule proposée - peuvent être calculées avec précision dans le cadre de notre théorie ", explique Matthias Neubert, chef de l'équipe de recherche. "En fin de compte - c'est notre espoir - la nouvelle particule peut être découverte d'abord grâce à ses interactions avec le secteur obscur." Cet exemple illustre bien l'interaction fructueuse entre la science fondamentale expérimentale et théorique, une caractéristique du Pôle d'Excellence PRISMA+.