Caricature du modèle extra-dimensionnel déformé, où la position le long de la direction de l'espace supplémentaire est représentée par l'axe horizontal. L'espace-temps ordinaire est représenté par les écrans orthogonaux. La matière ordinaire dont nous sommes faits est localisée sur l'écran du milieu, tandis que la matière noire vit principalement sur l'écran de droite. Crédit :Cai, Cacciapaglia et Lee.
Aujourd'hui, de nombreuses équipes de recherche dans le monde tentent de détecter la matière noire, une substance invisible qui est censée représenter la majeure partie de la matière dans l'univers. Comme il ne réfléchit ni n'émet de lumière, sa présence a été indirectement révélée via ses interactions gravitationnelles avec la matière visible.
Jusqu'à présent, les candidats de matière noire les plus prometteurs sont les axions, les neutrinos et les particules massives à faible interaction. Récemment, cependant, certains physiciens ont également commencé à étudier la possibilité qu'un autre type de particules hypothétiques, les gravitons massifs, puissent être des candidats viables pour la matière noire.
La théorie suggère que des gravitons massifs ont été produits lors de collisions entre des particules ordinaires dans l'environnement chaud et dense de l'Univers primordial, dans les quelques instants qui ont suivi le Big Bang. Alors que les théories prédisent leur existence, ces particules n'ont jusqu'à présent jamais été directement détectées.
Des chercheurs de l'Université de Corée et de l'Université de Lyon ont récemment mené une étude théorique explorant la possibilité que les gravitons massifs puissent être de bons candidats pour la matière noire. Les résultats de leurs calculs théoriques ont été publiés dans un article dans Physical Review Letters .
"Notre étude a commencé par examiner les dimensions supplémentaires, en particulier les dimensions supplémentaires déformées, qui ont été beaucoup étudiées au cours des 20 dernières années", a déclaré Giacomo Cacciapaglia, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, à Phys.org. "Lorsque la gravité se propage dans cet espace invisible, elle matérialise des gravitons massifs. Leur couplage à la matière ordinaire est très faible, étant d'origine gravitationnelle."
Densité relique du graviton massif dans l'espace des paramètres du modèle déformé. Les points le long de la ligne rouge reproduisent la matière noire observée dans l'Univers, tandis que les régions ombrées sont exclues. Crédit :Cai, Cacciapaglia et Lee.
Le processus par lequel des gravitons massifs seraient théoriquement produits est extrêmement rare. Pour cette raison, la vitesse à laquelle ces particules sont produites serait nettement inférieure à la vitesse de production de particules "ordinaires". Cacciapaglia et ses collègues Haiying Cai et Seung Lee se sont demandé si suffisamment de gravitons massifs avaient été produits dans l'univers primitif pour qu'ils soient considérés comme un bon candidat pour la matière noire.
"En calculant le taux de production de ces particules, nous avons découvert que certains processus sont améliorés en dessous de l'échelle où le boson de Higgs génère des masses pour les particules ordinaires, 1 picoseconde après le Big Bang", a déclaré Cacciapaglia. "Nous avons montré que cette amélioration est suffisante pour créer la bonne quantité de matière noire sous la forme de gravitons massifs avec des masses inférieures au MeV."
Les calculs effectués par Cai, Lee et Cacciapaglia montrent qu'au lieu d'être associée à une physique inconnue se produisant peu après le Big Bang, la production de gravitons massifs est plus efficace en dessous de l'échelle d'énergie dans laquelle résident les bosons de Higgs. Les bosons de Higgs sont des particules élémentaires qui portent le champ de Higgs, le champ qui donne de la masse aux particules fondamentales telles que les électrons et les quarks.
"Cela établit un lien direct entre la physique étudiée au Grand collisionneur de hadrons à Genève et la physique de la gravité et de la matière noire dans l'univers primitif", a déclaré Cacciapaglia. "Nos résultats impliquent que la matière noire gravitationnelle est produite 1 picoseconde après le Big Bang, à un moment où la physique des particules est bien décrite par les théories actuelles."
À l'avenir, les résultats recueillis par cette équipe de chercheurs pourraient inspirer de nouvelles études et calculs explorant la production de gravitons massifs dans l'univers. Pendant ce temps, Cacciapaglia et ses collègues prévoient de s'appuyer sur le modèle théorique présenté dans leur article, tout en évaluant d'autres candidats de matière noire.
"Nous prévoyons maintenant d'étudier d'autres caractéristiques d'un modèle en béton dans une dimension supplémentaire déformée que nous esquissons dans l'article", a ajouté Cacciapaglia. "Nous nous intéressons particulièrement au rôle joué par une particule scalaire appelée radion et à la testabilité potentielle des collisionneurs de particules actuels et futurs."
© 2022 Réseau Science X Les collaborations ATLAS et CMS chassent l'invisible avec le boson de Higgs
