La matière noire, la substance insaisissable qui représente la majorité de la masse de l’Univers, peut être constituée de particules massives appelées gravitons qui sont apparues pour la première fois dans le premier instant après le Big Bang.
Et ces particules hypothétiques pourraient être des réfugiés cosmiques de dimensions supplémentaires, suggère une nouvelle théorie.
Les calculs des chercheurs suggèrent que ces particules auraient pu être créées en juste quantité pour expliquer la matière noire, qui ne peut être « vue » que par son attraction gravitationnelle sur la matière ordinaire.
“Les gravitons massifs sont produits par des collisions de particules ordinaires dans l’Univers primordial.
Ce processus était considéré comme trop rare pour que les gravitons massifs soient des candidats à la matière noire”, a déclaré à Live Science le co-auteur de l’étude, Giacomo Cacciapaglia, physicien à l’Université de Lyon en France.
Mais dans une nouvelle étude publiée en février dans la revue Physical Review Letters, Cacciapaglia, ainsi que les physiciens de l’Université de Corée Haiying Cai et Seung J. Lee, ont découvert que suffisamment de ces gravitons auraient été fabriqués dans l’Univers primitif pour rendre compte de tous les la matière noire que nous détectons actuellement dans l’Univers.
Les gravitons, s’ils existent, auraient une masse inférieure à 1 mégaélectronvolt (MeV), donc pas plus de deux fois la masse d’un électron, selon l’étude.
Ce niveau de masse est bien inférieur à l’échelle à laquelle le boson de Higgs génère de la masse pour la matière ordinaire – ce qui est essentiel pour que le modèle en produise suffisamment pour rendre compte de toute la matière noire de l’Univers. (À titre de comparaison, la particule la plus légère connue, le neutrino, pèse moins de 2 électronvolts, tandis qu’un proton pèse environ 940 MeV, selon le National Institute of Standards and Technology.)
L’équipe a trouvé ces gravitons hypothétiques tout en recherchant des preuves de dimensions supplémentaires, que certains physiciens soupçonnent d’exister aux côtés des trois dimensions observées de l’espace et de la quatrième dimension, le temps.
Dans la théorie de l’équipe, lorsque la gravité se propage à travers des dimensions supplémentaires, elle se matérialise dans notre Univers sous forme de gravitons massifs.
Mais ces particules n’interagiraient que faiblement avec la matière ordinaire, et uniquement via la force de gravité.
Cette description est étrangement similaire à ce que nous savons de la matière noire, qui n’interagit pas avec la lumière mais a une influence gravitationnelle ressentie partout dans l’Univers. Cette influence gravitationnelle, par exemple, est ce qui empêche les galaxies de se séparer.
“Le principal avantage des gravitons massifs en tant que particules de matière noire est qu’ils n’interagissent que gravitationnellement, ils peuvent donc échapper aux tentatives de détection de leur présence”, a déclaré Cacciapaglia.
En revanche, d’autres candidats de matière noire proposés – tels que les particules massives à faible interaction, les axions et les neutrinos – pourraient également être ressentis par leurs interactions très subtiles avec d’autres forces et champs.
Le fait que les gravitons massifs interagissent à peine par gravité avec les autres particules et forces de l’Univers offre un autre avantage.
“En raison de leurs interactions très faibles, ils se désintègrent si lentement qu’ils restent stables tout au long de la vie de l’Univers”, a déclaré Cacciapaglia, “Pour la même raison, ils sont produits lentement pendant l’expansion de l’Univers et s’y accumulent jusqu’à aujourd’hui.”
Dans le passé, les physiciens pensaient que les gravitons étaient des candidats improbables à la matière noire, car les processus qui les créent sont extrêmement rares. En conséquence, les gravitons seraient créés à des taux beaucoup plus faibles que les autres particules.
Mais l’équipe a découvert que dans la picoseconde (trillionième de seconde) après le Big Bang, plus de ces gravitons auraient été créés que ne le suggéraient les théories passées.
Cette amélioration était suffisante pour que les gravitons massifs expliquent complètement la quantité de matière noire que nous détectons dans l’Univers, selon l’étude.
“L’amélioration a été un choc”, a déclaré Cacciapaglia. “Nous avons dû effectuer de nombreuses vérifications pour nous assurer que le résultat était correct, car cela entraîne un changement de paradigme dans la façon dont nous considérons les gravitons massifs comme des candidats potentiels à la matière noire.”
Parce que les gravitons massifs se forment en dessous de l’échelle d’énergie du boson de Higgs, ils sont libérés des incertitudes liées aux échelles d’énergie plus élevées, ce que la physique des particules actuelle ne décrit pas très bien.
La théorie de l’équipe relie la physique étudiée dans les accélérateurs de particules tels que le Large Hadron Collider à la physique de la gravité.
Cela signifie que de puissants accélérateurs de particules comme le futur collisionneur circulaire du CERN, qui devrait commencer à fonctionner en 2035, pourraient rechercher des preuves de ces potentielles particules de matière noire.
“La meilleure chance que nous ayons est probablement les futurs collisionneurs de particules de haute précision”, a déclaré Cacciapaglia. “C’est quelque chose que nous étudions actuellement.”
Cet article a été initialement publié par Live Science. Lisez l’article original ici.
