La matière noire, cette substance invisible qui constitue plus d’un quart de l’Univers, demeure l’une des énigmes les plus tenaces de la physique. À la recherche de la matière noire, les physiciens repoussent les limites du Modèle Standard de la physique des particules, le meilleur modèle actuel pour décrire l’existence, afin d’explorer le « côté obscur » qui se trouve au-delà. L’expression peut évoquer Star Wars, mais les particules sombres, comme le photon sombre théorique, ouvrent des perspectives prometteuses tant pour la cosmologie que pour la recherche en physique des particules.
Qu’est-ce qu’un photon sombre ?
Nous devons beaucoup au photon, l’une des particules fondamentales du Modèle Standard. Les ondes radio, les rayons X et même la lumière visible sont dus à ces particules, qui jouent le rôle de vecteurs de force de l’électromagnétisme. Mais si les photons sont essentiels à l’électromagnétisme, que pourrait nous aider à comprendre leur éventuel équivalent sombre ?
« Un photon sombre est une particule hypothétique », explique Zach Weiner, chercheur postdoctoral à l’Institut Périmètre. Il décrit cette particule comme une « cousine du photon ».
« Le photon sombre n’interagit pas avec la matière ordinaire, comme les électrons, les protons et les neutrons, ou bien, s’il le fait, cette interaction est si faible que nous ne l’avons pas encore détectée », précise Weiner. « En ce sens, il est obscur pour nous. »
Un autre chercheur de l’Institut Périmètre, Junwu Huang, s’intéresse lui aussi à l’exploration de ce qui se trouve au-delà du Modèle Standard. Il étudie en particulier les candidats à la matière noire : comment ont-ils pu être produits dans l’Univers primordial, ce qu’ils signifient pour la cosmologie et l’astrophysique, et comment concevoir des expériences pour les détecter.
Huang explique que les candidats à la matière noire se répartissent en deux régimes. Dans le premier, la matière noire se comporte comme des balles de ping-pong, capables d’entrer en collision et de se disperser. Dans le second, les particules sont légères et se comportent donc comme des ondes dans la plupart des systèmes qui intéressent les chercheurs.
Les photons sombres appartiennent à cette seconde catégorie ondulatoire, au sein d’un groupe appelé les bosons légers. « La différence entre les bosons légers et les autres candidats à la matière noire, c’est qu’ils sont vraiment légers », explique Huang. « À densité d’énergie égale, leur densité numérique est beaucoup plus grande. » Autrement dit, pour la même densité d’énergie que celle d’autres candidats à la matière noire, il doit en exister un très grand nombre.
« Un concept clé est le nombre d’occupation – essentiellement la densité multipliée par la puissance appropriée de la longueur d’onde de la particule. Pour la matière noire constituée de bosons légers, le nombre d’occupation est bien supérieur à un. »
Huang s’intéresse à la manière dont ce grand nombre d’occupation des photons sombres modifie la dynamique en astronomie et en cosmologie. « Nous essayons de comprendre comment ce nombre d’occupation conduit à de nouvelles dynamiques, dit Huang, et comment les particules se comportent d’une manière différente de ce à quoi on est habitué. »
Les photons sombres dans l’Univers primordial
Les photons sombres sont également intrigants parce que, contrairement à leurs cousins du Modèle Standard, ils possèdent une masse. Les particules apparentées au photon dans le Modèle Standard, comme les bosons électrofaibles W et Z, acquièrent leur masse grâce au mécanisme de Higgs. Il est donc possible qu’un photon sombre acquière une masse d’une manière similaire mais plus simple - un mécanisme de Higgs sombre, pour ainsi dire.
Mais c’est là qu’un problème surgit.
En 2023, Huang et Will East, un collègue chercheur à l’Institut Périmètre, ont publié un article montrant que lorsque les photons sombres acquièrent une masse par un mécanisme de Higgs sombre, ils peuvent s’effondrer en un réseau appelé cordes cosmiques. Puisque la matière noire a dû être créée dans l’Univers primordial, les photons sombres auraient nécessairement été produits à un moment donné et auraient pu déclencher la formation de ces cordes. Dans ces configurations de cordes, les photons sombres ne sont pas des particules libres et ne peuvent pas constituer un candidat à la matière noire. « Si vous voulez imaginer un modèle de photons avec une masse comme votre matière noire, vous devez éviter cet effondrement en corde cosmique », explique Weiner.
« Pour que les photons sombres soient viables en tant que candidats à la matière noire, il faut que leur couplage au Higgs sombre soit extrêmement faible », précise Weiner. « En même temps, cela rendrait toute signature expérimentale du photon sombre extrêmement faible. » Fondamentalement, si les mécanismes les plus simples de production des photons sombres dans l’Univers primordial sont corrects, les perspectives de détection de la matière noire deviennent nulles.
Lorsqu’il était en postdoctorat à l’Université de Washington, Weiner a publié deux articles avec son coauteur David Cyncynates, à la recherche de modèles évitant la formation de cordes cosmiques. Ils se sont appuyés sur les travaux de East et Huang pour établir des seuils permettant d’éviter la formation de cordes. Cela leur a permis de définir des cibles expérimentales concrètes pour de futures expériences sur les photons sombres.
À la recherche des photons sombres
« Il n’existe pas beaucoup d’expériences spécifiquement dédiées à la recherche des photons sombres, et uniquement des photons sombres », explique Weiner. « Il se trouve que les signatures en laboratoire des photons sombres ressemblent souvent à celles d’un autre candidat à la matière noire, les axions, suffisamment pour que des expériences conçues pour les axions puissent adapter leur analyse et dire quelque chose sur les photons sombres. »
« C’est l’une des raisons pour lesquelles David et moi avons été motivés à nous pencher sur cette question, parce que nous bénéficierons de ces recherches sur les photons sombres gratuitement », dit Weiner. « Les expériences futures vont explorer cet espace de paramètres, et nous aimerions donc comprendre ce que nous pourrons dire à propos des résultats. »
Le challenge dans la recherche de la matière noire réside dans la tension entre les modèles cosmologiques et la sensibilité des expériences en laboratoire. « La cosmologie impose à quel point le couplage doit être faible », explique Huang. « La question est de savoir si nous sommes suffisamment sensibles sur Terre pour concevoir (une expérience) capable de la détecter. C’est toujours une compétition. »
Alors, que signifie tout cela pour le cousin sombre et mystérieux du photon ? Il est possible que les photons sombres existent mais ne soient pas la cause principale de la matière noire : ils s’effondrent plutôt en cordes cosmiques et influencent des phénomènes tels que les ondes gravitationnelles. Mais il est aussi envisageable que des recherches supplémentaires en fassent un candidat majeur. Quoi qu’il en soit, l’étude approfondie de ce parent obscur du photon pourrait éclairer notre compréhension des origines et de l’évolution de notre Univers.
À propos de l’IP
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