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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 : Cara Giovanetti/Université de New York

Une nouvelle analyse par une équipe de physiciens offre un moyen innovant de prédire les “signatures cosmologiques” pour les modèles de matière noire.

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

Ses travaux, parus dans la revue Lettres d’examen physique, se concentre sur la prédiction de “signatures cosmologiques” pour des modèles de matière noire dont la masse est comprise 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.

“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, titulaire d’un doctorat. étudiant au département de physique de l’Université de New York et auteur principal de l’article.






Cette visualisation d’une simulation informatique présente la «toile cosmique», la structure à grande échelle de l’univers. Chaque nœud brillant est une galaxie entière, tandis que les filaments violets indiquent où se trouve la matière entre les galaxies. Pour l’œil humain, seules les galaxies seraient visibles, et cette visualisation nous permet de voir les brins de matière reliant les galaxies et formant la toile cosmique. Cette visualisation est basée sur une simulation scientifique de la croissance de la structure dans l’univers. La matière, la matière noire et l’énergie noire dans une région de l’univers sont suivies depuis les tout premiers temps de l’univers jusqu’à nos jours en utilisant les équations de la gravité, de l’hydrodynamique et de la cosmologie. La matière normale a été découpée pour ne montrer que les régions les plus denses, qui sont les galaxies, et est représentée en blanc. La matière noire est représentée en violet. La taille de la simulation est un cube avec une longueur de côté de 134 mégaparsecs (437 millions d’années-lumière). Crédit : Hubblesite ; Visualisation : Frank Summers, Space Telescope Science Institute ; Simulation : Martin White et Lars Hernquist, Université de Harvard.

“Les mesures de précision de différents paramètres de l’univers – par exemple, la quantité d’hélium dans l’univers ou les températures de différentes particules dans l’univers primitif – peuvent également nous en apprendre beaucoup sur la matière noire”, ajoute Giovanetti, décrivant la méthode décrite dans le Lettres d’examen physique papier.

Dans la recherche, menée avec Hongwan Liu, un boursier postdoctoral de la NYU, Joshua Ruderman, professeur agrégé au département de physique de la NYU, et la physicienne de Princeton Mariangela Lisanti, Giovanetti et ses co-auteurs se sont concentrés sur la nucléosynthèse du big bang (BBN) – un processus par lesquelles formes légères de la matière, telles que l’hélium, l’hydrogène et le lithium, sont créées. La présence de matière noire invisible affecte la formation de chacun de ces éléments. Le fond diffus cosmologique (CMB) est également vital pour ces phénomènes, c’est-à-dire le rayonnement électromagnétique, généré par la combinaison d’électrons et de protons, qui est resté après la formation de l’univers.

L’équipe a cherché un moyen de repérer la présence d’une catégorie spécifique de matière noire – celle dont la masse se situe entre celle de l’électron et du proton – en créant des modèles prenant en compte à la fois le BBN et le CMB.

“Une telle matière noire peut modifier l’abondance de certains éléments produits dans l’univers primitif et laisser une empreinte dans le fond cosmique des micro-ondes en modifiant la vitesse d’expansion de l’univers”, explique Giovanetti.

Dans ses recherches, l’équipe a fait des prédictions de signatures cosmologiques liées à la présence de certaines formes de matière noire. Ces signatures sont le résultat de la matière noire modifiant les températures de différentes particules ou modifiant la vitesse d’expansion de l’univers.

Leurs résultats ont montré que la matière noire qui est trop claire conduira à des quantités d’éléments légers différentes de ce que voient les observations astrophysiques.

“Des formes plus légères de matière noire pourraient faire que l’univers se dilate si rapidement que ces éléments n’ont aucune chance de se former”, explique Giovanetti, décrivant un scénario.

“Nous apprenons de notre analyse que certains modèles de matière noire ne peuvent pas avoir une masse trop petite, sinon l’univers serait différent de celui que nous observons”, ajoute-t-elle.


Une nouvelle théorie suggère que la matière noire peut créer une nouvelle matière noire à partir de la matière ordinaire


Plus d’information:
Cara Giovanetti et al, Joint Cosmic Microwave Background and Big Bang Nucleosynthesis Constraints on Light Dark Sectors with Dark Radiation, Lettres d’examen physique (2022). DOI : 10.1103/PhysRevLett.129.021302

Fourni par l’Université de New York

Citation: Prédire la composition de la matière noire (2022, 6 juillet) récupéré le 6 juillet 2022 sur https://phys.org/news/2022-07-composition-dark.html

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