Un espace-temps à 5 dimensions est-il la clé des énigmes de la mati…
La théorie de la matière noire a fait des prédictions couronnées de succès et d'autres moins. Plusieurs théories sont possibles, donnant aux particules de matière noire des caractéristiques di...
On sait qu'il est très difficile d'expliquer l'existence des galaxies, les mouvements de celles-ci dans les amas de galaxies et le spectre du rayonnement fossile, la lumière du Big Bang, sans postuler l'existence de particules de matière noire relevant d'un nouvelle physique.
Ces particules ne devraient pas pouvoir émettre de la lumière, ou alors très peu. Ce qui est sûr, c'est qu'elles exercent des champs de gravitation sur les particules que nous connaissons dans nos détecteurs sur Terre, y compris en déviant la trajectoire des grains de lumière que sont les photons, en produisant des effets de lentilles gravitationnelles.
Toutefois, la matière noire pose encore des énigmes.
- Peut-elle s'annihiler en entrant en collision avec elle-même comme le font les particules de matière et d'antimatière ?
- Peut-elle interagir avec elle-même selon une nouvelle force ?
- Explique-t-elle vraiment les propriétés des galaxies ?
- Est-elle vraiment noire ?
Et si la matière noire n’était pas si noire ? Une nouvelle théorie relance l’une des plus grandes énigmes de la physique
Il existe un zoo de théories possibles pouvant expliquer la nature des particules de matière noire et les physiciens l'explorent en espérant trouver des signatures crédibles de leur existence. Une nouvelle hypothèse suggère qu'en fait elle ne serait pas si noire que ça en raison des fameux diagrammes de Feynman en théorie quantique des champs de particules.... Lire la suite
Les réponses à ces interrogations précisent les caractéristiques de la nouvelle physique qui doit se cacher derrière la matière noire et expliquent pourquoi certaines de ces prédictions ne sont parfois pas vérifiées dans le monde des galaxies, dans la composition des rayons cosmiques et dans les détecteurs sur Terre comme ceux du LHC.
En fait, il existe un zoo de théories et de particules que l'on explore et qui dépendent de plusieurs paramètres définissant un espace et dont les expériences et les observations permettent d'exclure certaines régions.
Futura est triste, l'astrophysicien Richard Taillet vient de décéder !
Un pilier de Futura vient de nous quitter, bien trop jeune encore. L'astrophysicien Richard Taillet est décédé hier d'un cancer.... Lire la suite
Pour donner quelques nouvelles de ce travail qui se poursuit, avec des résultats dont on ne peut pas rendre compte systématiquement étant donné le nombre de théories nouvelles proposées chaque année, prenons l'exemple récent d'un article que l'on doit à deux physiciens des astroparticules de l'Université de Sheffield, une université anglaise située dans le Yorkshire du Sud.
Richard Taillet n'est hélas plus là pour nous dire ce qu'il faudrait en penser.
La physicienne Sabine Hossenfelder nous parle de la théorie de KK (Kaluza-Klein). Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Sabine Hossenfelder
Une variante des théories de Kaluza-Klein
L'article a été publié dans Physical Review D. La théorie fait état d'un thème de recherche que l'on appelle celui de la résonance de la matière noire, un autre, celui des photons noirs, et une hypothèse fascinante proposée dès 1919 puis développée dans les années 1930, celle de l'existence d'une cinquième dimension spatiale de l'espace-temps et que l'on connait sous le nom de théorie de Kaluza-Klein (KK). D'autres dimensions spatiales supplémentaires ont depuis été proposées, notamment pour permettre de développer la fameuse théorie des supercordes et aussi des théories de KK plus vastes.
Voyons un peu comment ça marche.
Énergie noire et dimensions supplémentaires : l'effet Casimir en vue ?
Brian Greene, l'un des théoriciens des supercordes les plus réputés, et bien connu du grand public pour son ouvrage "L'Univers élégant", vient de faire avec sa collègue Janna Levin une proposition intéressante pour expliquer à la fois l'expansion accélérée de l'Univers et la stabilité des dimensions spatiales supplémentaires que l'on utilise dans les théories de Kaluza-Klein, et surtout, en théorie des cordes.... Lire la suite
Prenez une droite et, en chacun de ses points, ajoutez une droite perpendiculaire à la précédente. On obtient un plan. Répétez l'opération et vous obtenez un volume en 3D. Rien n'empêche de poursuivre ainsi avec un nombre arbitraire de N droites formant un volume de N dimensions.
Les mathématiciens ont montré que l'on pouvait faire plus subtil qu'un « produit » de droite. On peut imaginer, pour chaque point d'un plan, un « produit » avec un cercle, une sphère, un tore (qui sont compacts comme disent les géomètres, car en quelque sorte fermés et bornés) ou encore avec un objet géométrique encore plus exotique. On peut montrer que les propriétés de particules de forces et de matière dans un Univers donné peuvent être connectées aux caractéristiques de ces objets géométriques, ajoutant des dimensions spatiales supplémentaires.
Des photons noirs
Les photons noirs sont des cousins des photons apparaissant dans certaines théories d'une nouvelle physique, au-delà de celle du Modèle standard si bien vérifiée par les expériences du LHC. Ils découleraient d'équations très similaires à celles de l'électromagnétisme, mais n'interagiraient que faiblement, ou pas du tout, avec la matière ordinaire, de sorte si nous étions baignés dans un gaz de photons noirs, nos yeux ne les verraient pas. Futura a publié plusieurs articles sur la théorie des photons noirs et leurs variantes, articles auxquels nous renvoyons.
Matière noire : le Supersynchrotron à protons redémarre la chasse aux photons noirs au Cern avec NA 64
Les particules de matière noire dans l'univers observable pourraient être des cousins proches du photon décrit par des équations ressemblant à celle de l'interaction électromagnétique. Doués de masse, contrairement au photon du modèle standard, ces photons noirs, que l'on appelle aussi des bosons U, sont chassés au Cern grâce à l'expérience NA 64 qui reprend du service après le démarrage du plus puissant accélérateur de particules du Cern après le LHC, le Supersynchrotron à protons.... Lire la suite
Les particules de matière noire ont-elles été découvertes dans les protons ?
6,5 sigmas, c'est bien au-dessus du seuil nécessaire dans les détecteurs pour faire la découverte du boson de Brout-Englert-Higgs et c'est le seuil que des chercheurs australiens pensent avoir atteint en détectant un signal qu'ils attribuent à l'influence indirecte de particules de matière noire exotique en regardant avec une sorte de microscope électronique l'intérieur des protons. Il s'agirait de ce que l'on appelle des photons noirs. La prudence s'impose en attendant la confirmation par d'autres équipes de leur existence.... Lire la suite
Des photons noirs pourraient chauffer des filaments intergalactiques
La physique des astroparticules utilise les astres pour tester des théories issues de la physique des particules et, inversement, utilise la physique des particules connue pour expliquer les astres. Un type exotique de particules de matière noire, éventuellement lié à un monde parallèle, trahit peut-être sa présence sous les yeux de Hubble en chauffant anormalement des filaments intergalactiques de matière normale.... Lire la suite
Normalement, la matière ordinaire ne devrait pas pouvoir pénétrer dans les dimensions spatiales supplémentaires. Dans la nouvelle théorie proposée par les chercheurs de l'Université de Sheffield, des particules de matière noire et des photons noirs peuvent se propager dans la cinquième dimension spatiale compacte de l'Univers. Il apparaît alors des mécanismes d'ajustement automatique de certaines propriétés de la matière noire via le phénomène de résonance. Rappelons un exemple simple de résonance en physique classique : si vous poussez à la bonne fréquence une balançoire, à sa fréquence de résonance donc, elle va se mettre dans un mouvement de plus en plus important.
Dans le cas de la théorie, la résonance à l'œuvre place naturellement la masse d'un photon noir très près du double de celle de la particule de matière noire. Le photon noir permet alors d'imaginer que la matière noire peut interagir faiblement autrement que par la gravité avec la matière normale, mais que cette interaction était plus forte au moment du Big Bang et plus faible aujourd'hui. Cela expliquerait pourquoi les prédictions de beaucoup de théories de matière noire, basées sur son comportement au tout début de l'histoire de l'Univers, impliquent qu'on aurait dû les voir dans les détecteurs depuis un moment déjà, ce qui n'est pas le cas.
Des résonances similaires pourraient renforcer les auto-interactions de la matière noire, ce qui pourrait contribuer à résoudre certains problèmes liés à la structure interne des galaxies naines et expliquer pourquoi il devrait en exister bien plus que celles observées autour des grandes galaxies comme la Voie lactée et Andromède, dans le cadre des théories de matière noire ordinaire sans une dimension spatiale supplémentaire.
Les lecteurs pourraient penser à bon droit que ce n'est peut-être qu'un épicycle de plus pour la matière noire et qu'il vaudrait peut-être mieux l'abandonner au profit de la théorie Mond.
Faut-il vraiment conserver les lois de Newton pour expliquer les galaxies avec de la matière noire ? Partie II
Depuis presque 40 ans, les astrophysiciens débattent pour savoir si l'on doit introduire de nouvelles particules, celles de la fameuse matière noire, ou au contraire modifier la physique de Newton pour expliquer les observations concernant les galaxies, les amas de galaxies et la plus vieille lumière de l'Univers observable, le rayonnement fossile. Dernièrement, la matière noire semble gagner la bataille face à la théorie Mond, notamment grâce aux données des satellites Gaia de l'ESA et Fermi de la Nasa. Mais est-ce bien le cas et où en est-on ? Nous avons posé ces questions à l'un des grands experts français de Mond, Benoit Famaey. Il en a résulté un article en deux parties, dont voici la seconde.... Lire la suite
Les observations de James-Webb réfutent-elles la théorie de la matière noire au profit de Mond ?
Si la récente découverte de galaxies primitives avec le télescope James-Webb se confirmait et n'était que la pointe émergée d'un iceberg, elle pourrait s'ajouter significativement au débat entre ceux qui pensent que la matière noire existe et ceux qui pensent qu'il faut au contraire modifier les lois de la gravité et de la mécanique pour décrire l'origine et le comportement des galaxies. Ce qui est sûr, c'est que la découverte de ces galaxies a été prédite à partir de la théorie Mond, l'alternative à la matière noire.... Lire la suite