Comment la matière noire peut-elle interagir avec la matière ordinaire?

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Une équipe internationale de scientifiques comprenant l’Université de Californie à Riverside et le physicien Hai-Bo Yu ont imposé des conditions sur la façon dont la matière noire peut interagir avec la matière ordinaire.

La matière noire – matière non lumineuse dans l’espace – est censée représenter 85% de la matière dans l’univers. Contrairement à la matière normale, elle n’absorbe pas, ne réfléchit pas et n’émet pas de lumière, ce qui la rend difficile à détecter.

Les physiciens sont certains que la matière noire existe, ayant déduit cette existence de l’effet gravitationnel que la matière noire a sur la matière visible. Ce dont ils sont moins certains, c’est comment la matière noire interagit avec la matière ordinaire – ou même si c’est le cas.

Dans la recherche de la détection directe de la matière noire, l’accent expérimental a été mis sur les WIMP, ou particules massives faiblement interactives, les particules hypothétiques supposées constituer la matière noire.

Mais l’équipe de recherche internationale de Yu invoque une théorie différente pour défier le paradigme WIMP: le modèle de matière noire auto-interactif, ou SIDM, un cadre bien motivé qui peut expliquer toute la diversité observée dans les courbes de rotation galactiques. Proposé pour la première fois en 2000 par deux éminents astrophysiciens, le SIDM a regagné en popularité à la fois en physique des particules et en astrophysique depuis 2009, aidé en partie par le travail de Yu et de ses collaborateurs.

Yu, théoricien au Département de physique et d’astronomie de UCR, et Yong Yang, expérimentaliste à l’Université de Shanghai Jiaotong en Chine, ont codirigé l’équipe chargée d’analyser et d’interpréter les dernières données recueillies en 2016 et 2017 à PandaX-II, un xénon L’expérience de détection directe de la matière noire basée sur la substance noire en Chine (PandaX fait référence au détecteur de particules et d’astrophysique au xénon, PandaX-II se réfère à l’expérience). Si une particule de matière noire entre en collision avec le xénon liquéfié de PandaX-II, le résultat serait deux signaux simultanés: l’un des photons et l’autre des électrons.

Yu a expliqué que PandaX-II suppose que la matière noire «parle à» la matière normale – c’est-à-dire interagit avec les protons et les neutrons – par des moyens autres que l’interaction gravitationnelle (l’interaction gravitationnelle ne suffit pas). Les chercheurs recherchent ensuite un signal identifiant cette interaction. De plus, la collaboration PandaX-II suppose que la «particule médiateur», qui est la médiation des interactions entre la matière noire et la matière normale, a une masse beaucoup moins grande que la particule médiateur du paradigme WIMP.

« Le paradigme WIMP suppose que cette particule de médiateur est très lourde – 100 à 1000 fois la masse d’un proton – ou à propos de la masse de la particule de matière noire », a déclaré Yu. «Ce paradigme domine le champ depuis plus de 30 ans, mais nous ne voyons pas toutes ses prédictions dans les observations astrophysiques, alors que le modèle SIDM suppose que la particule du médiateur est environ 0,001 fois la masse du corps. La présence d’un tel médiateur léger pourrait conduire à des signatures de fumée de SIDM dans la détection directe de la matière noire, comme nous l’avons suggéré dans un document de théorie antérieure. PandaX-II, l’une des expériences de détection directe les plus sensibles au monde, est sur le point de valider le modèle SIDM lorsqu’une particule de matière noire est détectée.

L’équipe internationale de chercheurs rapporte le 12 juillet dans Physical Review Letters la limite la plus forte de la force d’interaction entre la matière noire et la matière visible avec un médiateur léger. La revue a choisi le document de recherche comme un point culminant, un honneur important.

« C’est une contrainte de la physique des particules sur une théorie qui a été utilisée pour comprendre les propriétés astrophysiques de la matière noire », a déclaré Flip Tanedo, un expert de la matière noire à UCR, qui n’était pas impliqué dans la recherche. «L’étude met en évidence la complémentarité des expériences nécessaires à la recherche de la matière noire et montre pourquoi la physique théorique joue un rôle crucial dans la traduction entre ces différents types de recherches.» L’étude de Hai-Bo Yu et de ses collègues interprète nouvelles données expérimentales en termes d’un cadre qui le rend facile à se connecter à d’autres types d’expériences, en particulier les observations astrophysiques, et un éventail beaucoup plus large de théories.  »

PandaX-II est situé au laboratoire souterrain de China Jinping, province du Sichuan, où les pandas sont abondants. Le laboratoire est le laboratoire souterrain le plus profond au monde. PandaX-II a généré le plus grand ensemble de données pour la détection de la matière noire lorsque l’analyse a été effectuée. PandaX-II, l’une des trois seules expériences de détection directe de la matière noire au xénon, est l’une des installations frontalières à la recherche d’événements extrêmement rares où les scientifiques espèrent observer une particule de matière noire interagir avec la matière ordinaire. propriétés des particules de la matière noire.

Les tentatives des physiciens des particules pour comprendre la matière noire n’ont pas encore donné de preuves définitives de la matière noire en laboratoire.

« La découverte d’une particule de matière noire qui interagit avec la matière ordinaire est l’un des saints sceaux de la physique moderne et représente le meilleur espoir de comprendre les propriétés fondamentales des particules de la matière noire », a déclaré Tanedo.

Au cours de la dernière décennie, Yu, un expert mondial en SIDM, a dirigé un effort pour rapprocher la physique des particules et la cosmologie en cherchant des façons de comprendre les propriétés des particules de la matière noire à partir de données astrophysiques. Lui et ses collaborateurs ont découvert une classe de théories de la matière noire avec une nouvelle force sombre qui peut expliquer les caractéristiques inattendues observées dans les systèmes à travers un large éventail, des galaxies naines aux amas de galaxies. Plus important encore, ce nouveau cadre SIDM sert de béquille aux physiciens des particules pour convertir les données astronomiques en paramètres de physique des particules des modèles de la matière noire. De cette manière, le framework SIDM est un traducteur pour deux communautés scientifiques différentes pour comprendre les résultats de l’autre.

Maintenant, avec la collaboration expérimentale de PandaX-II, Yu a montré comment les théories de la matière noire auto-interagissantes peuvent être distinguées lors de l’expérience PandaX-II.

« Avant cette ligne de travail, ces types d’expériences de la matière noire en laboratoire se concentraient principalement sur les candidats de la matière noire qui n’avaient pas d’auto-interactions », a déclaré Tanedo. « Ce travail a montré comment les forces sombres affectent les signaux de laboratoire de la matière noire. »

Yu a noté qu’il s’agit du premier résultat de détection directe pour SIDM rapporté par une collaboration expérimentale.

« Avec plus de données, nous continuerons à sonder les interactions de la matière noire avec un médiateur léger et la nature auto-interactive de la matière noire », a-t-il dit.

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