Une nouvelle dimension dans la recherche d’une compréhension de la matière noire


Matière noire

Crédit : CC0 Domaine public

Comme son nom l’indique, la noire – une matière qui représente environ 85 % de la de l’univers – n’émet pas de lumière, ce qui échappe à une détection facile. Ses propriétés restent également l’obscurité.

Aujourd’hui, un physicien théorique des particules de l’Université de Californie, Riverside, et ses collègues ont un projet de recherche à Journal de physique des hautes énergies cela montre comment les théories qui postulent l’existence d’un nouveau type de pourraient aider à expliquer les propriétés de la matière noire.

« Nous vivons dans un océan de matière noire, mais 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’étude. « C’est l’une des inconnues les plus ennuyeuses connues dans la nature. Nous savons qu’elle existe, mais nous ne savons pas comment la rechercher ni pourquoi elle ne s’est pas présentée là où nous l’attendions. »

Les physiciens ont utilisé des télescopes, de gigantesques expériences souterraines et des collisionneurs au cours des 30 dernières années pour en savoir plus sur la matière noire, malgré le manque de preuves positives. Cependant, les preuves négatives ont forcé des physiciens théoriciens comme Tanedo à réfléchir de manière plus créative à ce que pourrait être la matière noire.

La nouvelle recherche, qui suggère l’existence d’une dimension supplémentaire dans l’espace-temps pour la recherche de matière noire, fait partie d’un programme de recherche en cours à l’UC Riverside dirigé par Tanedo. Selon cette théorie, certaines particules de la 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 ne se comportent plus comme des particules.

« L’objectif de mon programme de recherche au cours des deux dernières années a été d’élargir l’idée de » parler « de la matière noire avec les forces obscures », a déclaré Tanedo. « Au cours des dix dernières années, les physiciens ont reconnu qu’en plus de la matière noire, des forces noires cachées peuvent également déterminer les interactions de la matière noire. Celles-ci pourraient complètement réécrire les règles de recherche de la matière noire. »

Lorsque deux particules de matière noire sont attirées ou repoussées l’une de l’autre, les forces obscures agissent. 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 autre généralisation de la proposition de Dark Force », a-t-il déclaré. « Notre univers observé a trois dimensions d’espace. Nous suggérons qu’il pourrait y avoir une quatrième dimension que seules les forces obscures connaissent. La dimension supplémentaire peut expliquer pourquoi la matière noire avait l’air si belle avant nos tentatives de l’étudier en laboratoire, a caché . « 

Tanedo a expliqué que même si les dimensions supplémentaires peuvent sembler une idée exotique, elles sont en fait une astuce mathématique utilisée pour décrire les « théories des champs conformes » – des théories tridimensionnelles ordinaires qui sont fortement mécaniques quantiques. Ces types de théories sont mathématiquement riches mais ne contiennent pas de particules conventionnelles et ne sont donc généralement pas considérés comme pertinents pour décrire la nature. L’équivalence mathématique entre ces théories tridimensionnelles sophistiquées et une théorie extradimensionnelle plus gérable est connue sous le nom de principe holographique.

« Parce que ces théories des champs conformes étaient à la fois persistantes et inhabituelles, elles n’étaient pas vraiment appliquées systématiquement à la matière noire », a ajouté Tanedo. « Au lieu d’utiliser ce langage, nous travaillons avec la théorie extradimensionnelle holographique. »

Une nouvelle dimension dans la recherche d'une compréhension de la matière noire

Flip Tanedo (à gauche), Sylvain Fichet (au centre) et Hai-Bo Yu. Crédit photo : Flip Tanedo, UC Riverside.

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

Selon Tanedo, les travaux antérieurs sur les secteurs sombres se sont principalement concentrés sur des théories qui imitent le comportement des particules visibles. Son programme de recherche examine les types de théories les plus extrêmes que la plupart des physiciens des particules ont trouvé moins intéressants, peut-être parce qu’il n’y a pas d’analogues dans le monde réel.

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

« Avec la force gravitationnelle ou la force électrique que j’enseigne dans mon cours d’introduction à la physique, si vous doublez la distance entre deux particules, la force diminue d’un facteur quatre. Une force continue, en revanche, est réduite d’un facteur pouvant aller jusqu’à huit. »

Quels sont les effets de cette force obscure extra-dimensionnelle ? Étant donné que la matière ordinaire ne peut pas interagir avec cette force noire, Tanedo s’est tourné vers l’idée de la matière noire à interaction automatique, une idée avancée par Hai-Bo Yu, professeur agrégé de physique et d’astronomie à l’UCR qui n’est pas co-auteur. de l’article, a été développé. Yu a montré que même sans interactions avec la matière normale, les effets de ces forces obscures peuvent être observés indirectement dans les galaxies naines sphériques. L’équipe de Tanedo a découvert que la force du continuum peut reproduire les mouvements des étoiles observés.

« Notre modèle va plus loin et facilite l’explication de l’origine cosmique de la matière noire par rapport au modèle auto-interactif de la matière noire », a déclaré Tanedo.

Ensuite, l’équipe de Tanedo étudiera une version continue du modèle du « photon noir ».

« C’est une image plus réaliste pour une puissance obscure », a déclaré Tanedo. « Les photons sombres ont été étudiés en détail, mais notre cadre extra-dimensionnel réserve quelques surprises. Nous examinerons également la cosmologie des forces sombres et la physique des trous noirs. »

Tanedo a travaillé avec diligence pour identifier les « points aveugles » dans la recherche de matière noire par son équipe.

« Mon programme de recherche vise 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 », a-t-il déclaré. « Bien que cela soit vrai pour la matière ordinaire, il n’y a aucune raison de le supposer pour la matière noire. Leurs interactions pourraient être décrites par un continuum de particules échangées, plutôt que par l’échange d’un seul type de particule de force. »


3 connus et 3 inconnus sur la matière noire


Plus d’information:
Ian Chaffey et al., Matière noire auto-interactive à médiation continue, Journal de physique des hautes énergies (2021). DOI : 10.1007 / JHEP06 (2021) 008

Fourni par l’Université de Californie – Riverside

Citation: Une nouvelle dimension dans la recherche d’une compréhension de la matière noire (2021, 2 juin), consulté le 2 juin 2021 sur https://phys.org/news/2021-06-dimension-quest-dark.html

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