Un nouvel article publié dans Physical Review Letters révèle qu’un important candidat à la matière noire, le « photon sombre » hypothétique, n’aurait pas chauffé l’univers primordial comme on le pensait jusqu’à présent. Cette découverte ouvre un vaste nouveau champ d’exploration expérimentale et pourrait transformer la quête visant à comprendre la matière noire.
Cette découverte est le fruit d’une collaboration interdisciplinaire entre les chercheurs de l’Institut Périmètre Junwu Huang et Mohamad Shalaby, en partenariat avec Anson Hook de l’Université du Maryland.
Depuis longtemps, les physiciens supposaient que les photons sombres, s’ils existent, se seraient transformés en lumière ordinaire dans le gaz chaud de particules chargées (plasma) qui remplissait l’univers primordial. Ce processus aurait réchauffé davantage le plasma, laissant des traces observables des photons sombres. Si cette hypothèse était correcte, une vaste portion de l’espace des paramètres associés aux photons sombres aurait déjà été exclue par les mesures cosmologiques.
Toutefois, de nouvelles simulations informatiques montrent que ce processus de conversion s’interrompt de lui-même avant qu’un réchauffement significatif puisse se produire. Les plages de paramètres précédemment exclues pourraient donc contenir la clé permettant de découvrir les photons sombres.
« Ces contraintes indiquaient que l’intensité de l’interaction de la matière noire devait être 10⁸ fois plus faible qu’elle pourrait réellement l’être », explique Hook. « Cet article ouvre de nombreuses nouvelles possibilités pour rechercher la matière noire. »
Repenser les photons sombres et la recherche sur la matière noire
De façon générale, les chercheurs considéraient la conversion d’un photon sombre en lumière ordinaire comme un processus linéaire, où l’énergie se transfère graduellement au plasma. Toutefois, la quantité d’énergie requise semblait étonnamment élevée. « Depuis quinze ans, on utilise une approximation linéaire », explique Huang. « Avec cette approximation, on peut calculer la quantité d’énergie transférée, et elle est énorme. J’ai alors réalisé que ce n’était pas possible. »
Cette découverte a amené Huang et Hook à retourner aux manuels classiques afin de se replonger dans la physique des plasmas. Cette démarche les a finalement conduits à Mohamad Shalaby, chercheur postdoctoral spécialisé dans ce domaine. Shalaby a alors réalisé des simulations démontrant que l’explication classique fondée sur une conversion linéaire était incomplète.
Les simulations ont plutôt démontré que dès que l’énergie des photons sombres commence à se transférer vers le plasma, le système devient fortement non linéaire. « Nous avons réalisé qu’au moment où l’énergie est transférée vers le plasma du modèle standard, le plasma devient complètement instable », explique Huang. « Il existe de nombreux effets non linéaires dans le système, et ceux-ci interrompent essentiellement le transfert d’énergie après qu’une très petite quantité d’énergie a été convertie. »
Selon cette nouvelle analyse, la contrainte cosmologique conventionnelle appliquée aux photons sombres est invalide sur environ dix ordres de grandeur en masse, soit d’environ 10⁻¹⁵ électronvolt (eV) jusqu’à 10⁻⁶ eV, ce qui correspond approximativement à des fréquences allant des bandes radio en kilohertz jusqu’aux bandes radio en gigahertz. « En décrivant correctement le plasma de l’univers primordial, les expériences pourront explorer de nouveaux espaces de paramètres et pourraient même finalement observer quelque chose », explique Shalaby.
Il s’agit d’un vaste intervalle qui était auparavant considéré comme exclu. Cette approche pourrait également être appliquée à la recherche d’autres particules difficiles à détecter.
Une nouvelle fenêtre sur l’inconnu
Cette découverte ne se limite pas aux photons sombres. L’application des effets non linéaires à d’autres particules pourrait également nous amener à repenser leur comportement dans différents environnements. « Il s’agit d’un cas d’étude en cosmologie. De nombreux systèmes astrophysiques ont été utilisés pour rechercher des effets semblables, et nous devons maintenant les réexaminer », affirme Huang. « L’approximation linéaire, qui est facile à calculer, pourrait n’avoir aucun rapport avec le comportement réel de la magnétosphère d’une étoile à neutrons ou d’une naine blanche. »
Cet article est le résultat d’importantes collaborations entre différentes disciplines de la physique, un principe fondamental de l’Institut Périmètre. En favorisant des recherches qui réunissent des spécialistes de divers domaines, les physiciens peuvent remettre en question certaines hypothèses et ouvrir la voie à de nouvelles avancées dans notre compréhension de l’univers.
« C’est véritablement un projet interdisciplinaire. C’est l’interaction entre la physique des plasmas et la physique des particules », conclut Shalaby. « Et cela aura des répercussions directes sur les personnes qui réalisent des expériences. »
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