Matière noire : la piste des photons sombres se renforce

Une équipe de chercheurs de l’Université d’Adelaide, en Australie, vient de donner du crédit à une hypothèse intéressante sur la nature de la matière noire : la piste des photons sombres est plutôt cohérente avec les observations des chercheurs.

Au même titre que l’énergie noire et la matière noire, les photons sombres font partie de ce qu’on appelle le secteur sombre. Il s’agit d’un ensemble de concepts hypothétiques qui ont été formalisés pour combler certaines lacunes des modèles cosmologiques actuels.

Il reste en effet plusieurs grandes énigmes que les observations ne suffisent pas à résoudre. On peut notamment citer le déficit de masse de l’Univers et l’accélération de son expansion, dont les origines restent inconnues à ce jour.

C’est quoi, un photon sombre ?

La matière noire est l’un des piliers de ce modèle. Comme tous les autres représentants du secteur sombre, elle n’a jamais été observée directement. Mais quelle que soit sa nature, son existence est aujourd’hui corroborée par des preuves extrêmement robustes.

On sait par exemple que la structure, la dynamique et la répartition des galaxies seraient très différentes de ce que l’on observe en pratique sans l’influence de cette entité que certains modèles considèrent comme la composante archimajoritaire dans l’Univers. C’est donc un concept qui est aujourd’hui largement admis par les astrophysiciens. En revanche, on ne sait absolument pas de quoi elle est composée. Et c’est là qu’interviennent les photons sombres.

Dans famille du secteur sombre, ces particules jouent le rôle de vecteurs de force. Ce sont des analogues hypothétiques des photons qui servent de support à la lumière, mais avec une différence considérable : ils seraient capables d’interagir directement avec la matière noire. Par conséquent, il pourrait s’agir d’une surface d’attaque très intéressante pour découvrir de quoi elle est constituée.

Les accélérateurs de particules à la rescousse

Ce sont donc des objets d’étude très intéressants, mais en l’absence d’observations concrètes, il est impossible de prouver rigoureusement  leur existence. En revanche, en combinant des simulations et des résultats expérimentaux, on peut estimer statistiquement à quel point le modèle du photon sombre est compatible avec le reste de la théorie.

Les expériences les plus importantes dans ce contexte reposent sur un phénomène appelé diffusion profondément inélastique. Lorsque deux particules entrent en collision à très grande vitesse, comme c’est le cas dans un accélérateur de particules, elles se fragmentent. On peut alors compiler les propriétés et les trajectoires de ces nano-shrapnels dans ce qu’on appelle une fonction de distribution.

À ce stade, les travaux relèvent davantage de la mathématique pure que de la physique appliquée. La suite consiste à comparer cette fonction de distribution à celles qui sont prédites par différents modèles théoriques. En l’occurrence, les chercheurs australiens ont exploré un modèle qui intègre ces fameux photons sombres.

Les chercheurs en tirent alors différentes données statistiques, et notamment un écart type noté avec la lettre grecque sigma (σ). Il permet de déterminer la probabilité que les résultats soient représentatifs.

Une piste plus prometteuse que jamais

Dans une discipline aussi fine que la physique des particules, l’objectif est généralement d’atteindre un seuil de certitude appelé 5σ. Cela signifie qu’il y a moins d’une chance sur un million que les résultats soient dus à une erreur de mesure ou à des variations aléatoires. Un résultat expérimental qui atteint ce 5σ est considéré comme très robuste et cohérent.

L’expérience de l’Université d’Adelaide sur la validité du photon sombre a complètement pulvérisé ce seuil. « Nos travaux montrent que l’hypothèse du photon sombre est préférée à l’hypothèse du modèle standard à hauteur de 6,5σ », explique Thomas. En d’autres termes, cela signifie qu’il y a moins d’une chance sur un demi-milliard que ces résultats soient invalides.

Ces résultats ne constituent pas une preuve incontestable de l’existence des photons noirs. Il reste encore beaucoup de travail avant de pouvoir le démontrer rigoureusement. Mais ces travaux restent néanmoins significatifs. Il s’agit d’une démonstration solide que cette hypothèse est cohérente, que ces particules pourraient occuper une place déterminante dans le modèle de la matière noire. Il ne reste donc plus qu’à resserrer progressivement l’étau jusqu’à ce que cette substance mystérieuse commence à livrer les secrets de la dynamique de l’Univers.

Le texte de l’étude est disponible ici.

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