You are currently viewing Des physiciens ont mis au point une méthode pour prédire la composition de la matière noire

Des physiciens ont mis au point une méthode pour prédire la composition de la matière noire

Représentation d’artiste de la nucléosynthèse du big bang, la première période de l’univers au cours de laquelle les protons « p » et les neutrons « n » se combinent pour former des éléments légers. La présence de matière noire “χ” modifie la quantité de chaque élément qui se formera. Crédit : Image reproduite avec l’aimable autorisation de Cara Giovanetti/Université de New York

Une nouvelle analyse offre un moyen innovant de prédire les « signatures cosmologiques » pour les modèles de matière noire.

Une méthode de prédiction de la composition de la matière noire a été mise au point par une équipe de physiciens. La matière noire est une matière invisible détectée uniquement par son attraction gravitationnelle sur la matière ordinaire et dont la découverte est depuis longtemps recherchée par les scientifiques.

Les nouveaux travaux portent sur la prédiction de “signatures cosmologiques” pour des modèles de matière noire dont la masse se situe entre celle de l’électron et celle du proton. Les méthodes précédentes avaient prédit des signatures similaires pour des modèles plus simples de matière noire. Cette recherche établit de nouvelles façons de trouver ces signatures dans des modèles plus complexes, que les expériences continuent de rechercher, notent les auteurs de l’article. L’article a été publié le 6 juillet dans la revue Lettres d’examen physique.

“Les expériences qui recherchent la matière noire ne sont pas le seul moyen d’en savoir plus sur ce mystérieux type de matière”, explique Cara Giovanetti, Ph.D. étudiant en[{” attribute=””>New York University’s Department of Physics and the lead author of the paper. 

“Precision measurements of different parameters of the universe—for example, the amount of helium in the universe, or the temperatures of different particles in the early universe—can also teach us a lot about dark matter,” adds Giovanetti, outlining the method described in the Physical Review Letters paper.

In the research, the physicists focused on big bang nucleosynthesis (BBN)—a process by which light forms of matter, such as helium, hydrogen, and lithium, are created. The presence of invisible dark matter affects how each of these elements will form. Also vital to these phenomena is the cosmic microwave background (CMB)—electromagnetic radiation, generated by combining electrons and protons, that remained after the universe’s formation. The work was conducted with Hongwan Liu, an NYU postdoctoral fellow, Joshua Ruderman, an associate professor in NYU’s Department of Physics, and Princeton physicist Mariangela Lisanti, Giovanetti, and her co-authors.

The team of scientists sought a means to spot the presence of a specific category of dark matter—that with a mass between that of the electron and the proton—by creating models that took into account both BBN and CMB.

“Such dark matter can modify the abundances of certain elements produced in the early universe and leave an imprint in the cosmic microwave background by modifying how quickly the universe expands,” Giovanetti explains. 

In their research, the team made predictions of cosmological signatures linked to the presence of certain forms of dark matter. These signatures are the result of dark matter changing the temperatures of different particles or altering how fast the universe expands. 

Their results showed that dark matter that is too light will lead to different amounts of light elements than what astrophysical observations see. 

“Lighter forms of dark matter might make the universe expand so fast that these elements don’t have a chance to form,” says Giovanetti, outlining one scenario.

“We learn from our analysis that some models of dark matter can’t have a mass that’s too small, otherwise the universe would look different from the one we observe,” she adds.

Reference: “Joint Cosmic Microwave Background and Big Bang Nucleosynthesis Constraints on Light Dark Sectors with Dark Radiation” by Cara Giovanetti, Mariangela Lisanti, Hongwan Liu and Joshua T. Ruderman, 6 July 2022, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.021302

The research was supported by grants from the National Science Foundation (DGE1839302, PHY-1915409, PHY-1554858, PHY-1607611) and the Department of Energy (DE-SC0007968).

Leave a Reply