Une forme sombre de lumière au sein d’un univers de particules hypothétiques est sérieusement envisagée comme moyen de découvrir l’identité de la matière noire.
Selon une nouvelle analyse complète en chromodynamique quantique, le photon sombre correspond bien mieux aux résultats observés des expériences sur les collisionneurs de particules que le modèle standard de la physique des particules, et de loin.
En fait, une équipe de chercheurs dirigée par le physicien Nicholas Hunt-Smith du Centre d’excellence ARC pour la physique des particules de matière noire et de l’Université d’Adélaïde en Australie a calculé un niveau de confiance de 6,5 sigma, suggérant la probabilité que les photons obscurs n’expliquent pas la les observations sont d’environ une sur un milliard.
“L’existence de la matière noire a été fermement établie par ses interactions gravitationnelles, mais sa nature précise continue de nous échapper malgré les efforts des physiciens du monde entier”, explique Anthony Thomas, physicien à l’Université d’Adélaïde.
“La clé pour comprendre ce mystère réside peut-être dans le photon sombre, une particule massive théorique qui pourrait servir de portail entre le secteur des particules sombres et la matière ordinaire.”
La matière noire est l’un des plus grands mystères de l’Univers. Nous ne savons pas de quoi il s’agit, mais il existe quelque chose qui a un effet gravitationnel sur la matière normale.
Les galaxies tournent plus vite qu’elles ne le devraient si elles étaient remplies de particules normales. Le trajet de la lumière contourne les objets massifs de manière plus prononcée qu’il ne le devrait, en fonction de la gravité générée par la matière normale.
Il existe de nombreux candidats à la matière noire, mais nous ne les avons pas encore identifiés. Et le modèle standard n’aide pas vraiment. C’est formidable pour la physique des particules de la matière normale, mais cela n’a pas encore été en mesure de fournir une explication à la matière noire.
Une possibilité est que d’hypothétiques photons sombres soient impliqués d’une manière ou d’une autre. Tout comme les photons normaux sont des vecteurs de force pour l’électromagnétisme, les photons clairs et sombres pourraient être liés à la matière noire.
Hunt-Smith et ses collègues de l’Université d’Adélaïde et du Jefferson Lab aux États-Unis ont étudié les produits des collisions de particules pour rechercher des preuves de l’existence de ces particules insaisissables.
“Dans notre dernière étude”, explique Thomas, “nous examinons les effets potentiels qu’un photon sombre pourrait avoir sur l’ensemble des résultats expérimentaux du processus de diffusion profondément inélastique.”
La diffusion inélastique profonde fait référence à une manière spécifique par laquelle les particules peuvent se disperser à la suite d’une collision à haute énergie. En utilisant les données d’une série de collisionneurs de particules, les chercheurs ont exploré la possibilité que les photons sombres jouent un rôle subtil dans la façon dont les particules divergent après un impact.
Ils incluaient également une épine particulière dans le côté du modèle standard, l’anomalie magnétique du muon. Les mesures de la façon dont le muon oscille dans un champ magnétique puissant sont en désaccord avec les prédictions du modèle standard de 3 à 4 écarts-types, suggérant l’activité de forces qui restent à étudier.
Ils ont constaté que l’introduction de la possibilité d’un photon sombre non seulement augmente la préférence pour le photon sombre comme candidat, mais réduit également considérablement l’anomalie magnétique du muon.
“Nous avons utilisé le cadre d’analyse de la fonction de distribution globale des particules du Jefferson Lab Angular Momentum (JAM) de pointe, modifiant la théorie sous-jacente pour tenir compte de la possibilité d’un photon sombre”, explique Thomas.
“Nos travaux montrent que l’hypothèse des photons sombres est préférée à l’hypothèse du modèle standard avec une signification de 6,5 sigma, ce qui constitue une preuve de la découverte d’une particule.”
Bien qu’il reste beaucoup de travail à faire avant de pouvoir affirmer que les photons sombres existent, les chercheurs espèrent que leurs résultats convaincront d’autres chercheurs en anomalies de vérifier leurs sommes pour les rayons lumineux au-delà du modèle standard.
La recherche a été publiée le Journal de physique des hautes énergies.