Comme son nom l'indique, la matière noire - matière qui constitue environ 85 % de la masse de l'univers - n'émet aucune lumière, échappant à une détection facile. Ses propriétés, trop, restent assez obscurs.

Maintenant, un physicien théorique des particules à l'Université de Californie, Bord de rivière, et ses collègues ont publié un article de recherche dans le Journal de physique des hautes énergies qui montre comment les théories postulant l'existence d'un nouveau type de force pourraient aider à expliquer les propriétés de la matière noire.

"Nous vivons dans un océan de matière noire, pourtant nous savons très peu de choses sur ce que cela pourrait être, " a déclaré Flip Tanedo, professeur adjoint de physique et d'astronomie et auteur principal de l'article. "C'est l'une des inconnues les plus vexantes de la nature. Nous savons qu'elle existe, mais nous ne savons pas comment le chercher ni pourquoi il ne s'est pas présenté là où nous l'attendions."

Les physiciens ont utilisé des télescopes, gigantesques expériences souterraines, et les collisionneurs pour en savoir plus sur la matière noire au cours des 30 dernières années, bien qu'aucune preuve positive ne se soit concrétisée. Les preuves négatives, cependant, a forcé des physiciens théoriciens comme Tanedo à réfléchir de manière plus créative à ce que pourrait être la matière noire.

La nouvelle recherche, qui propose l'existence d'une dimension supplémentaire dans l'espace-temps pour rechercher la matière noire, fait partie d'un programme de recherche en cours à UC Riverside dirigé par Tanedo. Selon cette théorie, certaines particules de matière noire ne se comportent pas comme des particules. En effet, les particules invisibles interagissent avec des particules encore plus invisibles de telle sorte que ces dernières cessent de se comporter comme des particules.

"L'objectif de mon programme de recherche des deux dernières années est d'étendre l'idée de la matière noire 'parlant' aux forces obscures, " dit Tanedo. " Au cours de la dernière décennie, les physiciens ont fini par comprendre qu'en plus de la matière noire, des forces obscures cachées peuvent régir les interactions de la matière noire. Ceux-ci pourraient complètement réécrire les règles sur la façon dont on doit rechercher la matière noire. »

Si deux particules de matière noire sont attirées ou repoussées l'une par l'autre, alors les forces obscures opèrent. Tanedo a expliqué que les forces obscures sont décrites mathématiquement par une théorie avec des dimensions supplémentaires et apparaissent comme un continuum de particules qui pourraient résoudre les énigmes observées dans les petites galaxies.

"Notre programme de recherche en cours à l'UCR est une nouvelle généralisation de la proposition de force obscure, " dit-il. " Notre univers observé a trois dimensions d'espace. Nous proposons qu'il puisse y avoir une quatrième dimension que seules les forces obscures connaissent. La dimension supplémentaire peut expliquer pourquoi la matière noire s'est si bien cachée de nos tentatives pour l'étudier en laboratoire."

Tanedo a expliqué que bien que des dimensions supplémentaires puissent sembler une idée exotique, il s'agit en fait d'une astuce mathématique pour décrire les « théories des champs conformes », des théories tridimensionnelles ordinaires qui sont hautement mécaniques quantiques. Ces types de théories sont mathématiquement riches, mais ne contiennent pas de particules conventionnelles et ne sont donc généralement pas considérées comme pertinentes pour décrire la nature. L'équivalence mathématique entre ces théories tridimensionnelles difficiles et une théorie extra-dimensionnelle plus maniable est connue sous le nom de principe holographique.

« Comme ces théories de champ conformes étaient à la fois insolubles et inhabituelles, ils n'avaient pas vraiment été appliqués systématiquement à la matière noire, " Tanedo a ajouté. " Au lieu d'utiliser cette langue, nous travaillons avec la théorie holographique extra-dimensionnelle."

La caractéristique clé de la théorie extra-dimensionnelle est que la force entre les particules de matière noire est décrite par un nombre infini de particules différentes avec des masses différentes appelé un continuum. En revanche, les forces ordinaires sont décrites par un seul type de particule de masse fixe. Cette classe de secteurs continus et sombres est passionnante pour Tanedo car elle fait quelque chose de « frais et différent ».

Selon Tanedo, les travaux passés sur les secteurs sombres se concentrent principalement sur les théories qui imitent le comportement des particules visibles. Son programme de recherche explore les types de théories les plus extrêmes que la plupart des physiciens des particules ont trouvé moins intéressants, peut-être parce qu'aucun analogue n'existe dans le monde réel.

Dans la théorie de Tanedo, la force entre les particules de matière noire est étonnamment différente des forces ressenties par la matière ordinaire.

"Pour la force gravitationnelle ou force électrique que j'enseigne dans mon cours d'introduction à la physique, lorsque vous doublez la distance entre deux particules, vous réduisez la force d'un facteur quatre. Une force continue, d'autre part, est réduit d'un facteur pouvant aller jusqu'à huit."

Quelles implications cette force noire extra-dimensionnelle a-t-elle ? Puisque la matière ordinaire ne peut pas interagir avec cette force obscure, Tanedo s'est tourné vers l'idée d'une matière noire à interaction automatique, une idée lancée par Hai-Bo Yu, un professeur agrégé de physique et d'astronomie à l'UCR qui n'est pas co-auteur de l'article. Yu a montré que même en l'absence de toute interaction avec la matière normale, les effets de ces forces obscures pourraient être observés indirectement dans les galaxies sphéroïdales naines. L'équipe de Tanedo a découvert que la force du continuum peut reproduire les mouvements stellaires observés.

"Notre modèle va plus loin et rend plus facile que le modèle de la matière noire à interaction automatique pour expliquer l'origine cosmique de la matière noire, " a déclaré Tanedo.

Prochain, L'équipe de Tanedo explorera une version continue du modèle du "photon noir".

"C'est une image plus réaliste pour une force obscure, " dit Tanedo. " Les photons noirs ont été étudiés en détail, mais notre cadre extra-dimensionnel réserve quelques surprises. Nous examinerons également la cosmologie des forces obscures et la physique des trous noirs."

Tanedo a travaillé avec diligence sur l'identification des « points aveugles » dans la recherche de matière noire par son équipe.

"Mon programme de recherche cible l'une des hypothèses que nous faisons sur la physique des particules :que l'interaction des particules est bien décrite par l'échange de plus de particules, " dit-il. " Bien que cela soit vrai pour la matière ordinaire, il n'y a aucune raison de supposer que pour la matière noire. Leurs interactions pourraient être décrites par un continuum de particules échangées plutôt que par un simple échange d'un seul type de particule de force."