Pas de WIMPS ! Les particules lourdes n’expliquent pas les anomalies gravitationnelles lenticulaires – Ars Technica

Des décennies après qu’il soit devenu clair que l’univers visible est construit sur un cadre de matière noire, nous ne savons toujours pas ce qu’est réellement la matière noire. À grande échelle, diverses preuves pointent vers ce que l’on appelle les WIMP : des particules massives à faible interaction. Mais il existe une variété de détails difficiles à expliquer avec les WIMP, et des décennies de recherche des particules n’ont rien donné, laissant les gens ouverts à l’idée que quelque chose d’autre qu’un WIMP est fait de matière noire.

L’un des nombreux candidats est ce qu’on appelle un axion, une particule porteuse de force qui a été proposée pour résoudre un problème dans un domaine sans rapport avec la physique. Ils sont beaucoup plus légers que les WIMP mais ont d’autres propriétés compatibles avec la matière noire, qui ont gardé un faible niveau d’intérêt pour eux. Maintenant, un nouvel article soutient qu’il existe des caractéristiques de la lentille gravitationnelle (en grande partie un produit de la matière noire) qui peuvent être mieux expliquées par des propriétés de type axion.

particule ou onde ?

Alors, qu’est-ce qu’un axion ? À son niveau le plus simple, c’est une particule très légère sans spin et agit comme un vecteur de force. Ils ont été proposés à l’origine pour s’assurer que la chromodynamique quantique, qui décrit le comportement de la force forte qui lie les protons et les neutrons ensemble, ne rompt pas la conservation de la parité de charge. Suffisamment de travail a été fait pour s’assurer que les axes sont compatibles avec d’autres cadres théoriques, et des recherches ont été faites pour essayer de les comprendre. Mais les axions se sont pour la plupart affaiblis comme l’une des nombreuses solutions potentielles à un problème que nous n’avons pas encore trouvé comment résoudre.

Cependant, ils ont suscité un certain intérêt en tant que solutions potentielles à la matière noire. Mais le comportement de la matière noire s’explique mieux par une particule lourde – en particulier une particule massive à faible interaction. Les axions devaient être plus légers et pourraient être aussi légers que des neutrinos presque sans masse. Les recherches sur les axions ont également tendance à exclure de nombreuses masses lourdes, ce qui rend le problème encore plus évident.

Mais les axions peuvent réapparaître, ou du moins rester stationnaires pendant que les WIMP font face. Un certain nombre de détecteurs ont été construits pour essayer d’identifier les indicateurs d’interactions faibles pour les WIMP, et ils se sont révélés vides. Si les WIMP sont des particules de modèle standard, nous pouvons en déduire leur existence en fonction de la masse perdue dans les collisionneurs de particules. Aucune preuve de cela n’a été montrée. Cela a conduit les gens à se demander si les WIMP sont la meilleure solution à la matière noire.

À l’échelle cosmique, les WIMP continuent de très bien s’adapter aux données. Mais une fois que vous descendez aux niveaux des galaxies individuelles, certaines anomalies ne fonctionnent pas bien à moins que le halo de matière noire entourant une galaxie ait une structure complexe. Des choses similaires semblent vraies lorsque vous essayez de cartographier la matière noire de galaxies individuelles en fonction de sa capacité à créer une lentille gravitationnelle qui déforme l’espace afin d’agrandir et de déformer les objets d’arrière-plan.

Le nouveau travail tente de relier ces anomalies potentielles à la différence entre les propriétés des WIMPS et des axions. Comme son nom l’indique, les WIMP doivent se comporter comme des particules discrètes, interagissant presque entièrement par gravité. En revanche, les axions doivent interagir les uns avec les autres par interférence quantique, ce qui crée des motifs ondulatoires dans leur fréquence dans toute la galaxie. Ainsi, alors que la fréquence des WIMP devrait diminuer doucement avec la distance du noyau galactique, les axions devraient former une onde stationnaire (techniquement, un soliton) qui augmente leur fréquence près du noyau galactique. Au-delà de cela, des modèles d’interférence complexes devraient créer des régions où les axes sont essentiellement absents et d’autres régions où ils sont présents à deux fois l’intensité moyenne.

Difficile à localiser

À quelques exceptions près, la matière noire constitue la majorité de la masse d’une galaxie. Compte tenu de cela, ces modèles d’interférence doivent rendre l’attraction gravitationnelle des différentes régions de la galaxie inégale. Si les différences entre les régions sont suffisamment importantes, cela se manifestera probablement par de légères déviations dans le comportement attendu de la lentille gravitationnelle. Par conséquent, les objets derrière la galaxie doivent toujours apparaître comme des images lenticulaires ; Il peut ne pas être formé comme nous l’attendons ou exactement à l’endroit où nous nous attendons à ce qu’il soit.

La modélisation indique que ces aberrations sont suffisamment petites pour que même le télescope spatial Hubble n’ait pas été en mesure de les capturer. Mais il peut être possible de les détecter à des longueurs d’onde radio en fusionnant les données de radiotélescopes largement séparés dans ce qui est essentiellement un télescope géant. (Cette approche a permis au télescope Event Horizon de créer une image d’un trou noir.)

Et dans au moins un cas, nous avons ces données. HS 0810+2554 est une galaxie elliptique massive située entre nous et un trou noir actif au cœur d’une autre galaxie. La lentille gravitationnelle créée par la galaxie de premier plan crée quatre images de la galaxie active, chacune avec un noyau galactique brillant et deux grands jets de matière s’étendant à partir de celui-ci. Il est possible de comparer l’emplacement et la distorsion de ces quatre images à ce à quoi nous nous attendrions sur la base de la présence d’un halo typique de matière noire dans la galaxie de premier plan.

C’est une chose relativement simple à faire avec les WIMP, car il n’y a qu’un seul schéma auquel nous nous attendons : une baisse progressive des niveaux de matière noire à mesure que vous vous éloignez du noyau galactique. Les prédictions d’objectif basées sur cette distribution font un mauvais travail pour faire correspondre les données du monde réel sur l’endroit où les images apparaissent aux lentilles d’objectif.

Le défi consiste à effectuer la même analyse basée sur les schémas d’interférence des axions chaotiques : exécutez le modèle deux fois avec des conditions initiales différentes et vous obtenez un schéma d’interférence différent. Donc, les chances que ceux de la galaxie du monde réel fassent les lentilles sont plutôt minces. Au lieu de cela, l’équipe de recherche a exécuté 75 modèles différents avec des conditions initiales choisies au hasard. Par accident, j’ai créé certaines de ces distorsions similaires à celles observées dans les données du monde réel, affectant généralement une seule des quatre images avec un objectif. Par conséquent, les chercheurs ont conclu que les distorsions dans les images lenticulaires sont compatibles avec un halo de matière noire formé par l’interférence quantique des axions.

Alors, sont-ils vraiment des axions ?

L’analyse d’une seule galaxie ne sera pas un coup critique à quoi que ce soit, et il y a de nombreuses raisons d’être plus prudent ici. Par exemple, les chercheurs ont émis des hypothèses sur la distribution de la matière ordinaire et visible dans la galaxie, qui a également une influence gravitationnelle. On pense que les galaxies elliptiques sont le résultat de fusions de galaxies plus petites, ce qui peut affecter la distribution de la matière noire de manière subtile et difficile à détecter en traçant la distribution de la matière normale.

Enfin, ce type de motif de chevauchement ne fonctionne que pour des axes exceptionnellement légers – de l’ordre de 10^-22 électron-volt. En revanche, la masse de l’électron lui-même est d’environ 500 000 électron-volts. Cela rendrait les axions beaucoup plus légers que même les neutrinos.

Les auteurs du nouvel article eux-mêmes sont pour la plupart prudents quant aux preuves ici, concluant leur article par la phrase : « Déterminez si [WIMP- or axion-based dark matter] Mieux reproduire les observations astrophysiques ferait pencher la balance vers l’une des deux classes similaires de théories de la nouvelle physique. Mais leur prudence se glisse dans la dernière phrase du résumé, où ils écrivent « Capacité ». [axion-based dark matter] La résolution des anomalies de la lentille, même dans des cas difficiles tels que HS 0810 + 2554, ainsi que son succès dans la reproduction d’autres observations astrophysiques, font pencher la balance vers de nouveaux axes invoquant la physique. « 

Nous verrons, sans doute bientôt, si des physiciens autres que les auteurs et les pairs examinateurs de cet article partagent ces sentiments.

Astronomie naturelle, 2023. DOI : 10.1038 / s41550-023-01943-9 (à propos des DOI).