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Theories on dark matter's origins point to 'mirror world' and universe's edge

by Mike Peña, University of California - Santa Cruz

edited by Lisa Lock, reviewed by Robe

Les théories  de la matière noire suggèrent un « monde miroir » et les limites de l'univers

Par Mike Peña, Université de Californie à Santa Cruz

Édité par Lisa Lock, relu par Robert Egan

Notes de la rédaction

Illustration artistique du mécanisme proposé par le professeur Stefano Profumo, selon lequel des effets quantiques proches de l'horizon cosmique en expansion rapide après le Big Bang génèrent gravitationnellement des particules de matière noire. Crédit : Stefano Profumo

Deux études récentes du professeur Stefano Profumo, de l'Université de Californie à Santa Cruz, proposent des théories qui tentent de répondre à l'une des questions les plus fondamentales de la physique moderne : quelle est la nature particulaire de la matière noire ?

La science a apporté des preuves accablantes de l'existence de cette substance mystérieuse, qui représente 80 % de toute la matière de l'univers. La présence de matière noire explique ce qui lie les galaxies entre elles et les fait tourner. Des découvertes telles que la structure à grande échelle de l'univers et les mesures du rayonnement de fond diffus cosmologique prouvent également qu'un élément encore indéterminé imprègne toute cette obscurité.

Ce qui reste inconnu, ce sont les origines de la matière noire et, par conséquent, les propriétés de ses particules. Ces questions cruciales relèvent principalement de la compétence de physiciens théoriciens comme Profumo. Dans deux articles récents, il les aborde sous des angles différents, mais tous deux se concentrent sur l'idée que la matière noire pourrait avoir émergé naturellement des conditions de l'univers primitif, plutôt que d'être une nouvelle particule exotique interagissant avec la matière ordinaire de manière détectable.

Origines obscures

L'étude la plus récente, publiée le 8 juillet dans Physical Review D, explore la possibilité que la matière noire se soit formée dans un secteur caché – une sorte de « monde miroir » doté de ses propres versions de particules et de forces. Bien que totalement invisible pour l'homme, ce secteur d'ombre obéirait à de nombreuses lois physiques identiques à celles de l'univers connu.

L'idée s'inspire de la chromodynamique quantique (QCD), la théorie qui décrit comment les quarks sont liés entre eux à l'intérieur des protons et des neutrons par l'interaction nucléaire forte. L'UC Santa Cruz a des racines profondes dans ce domaine : le professeur de physique émérite Michael Dine a contribué à l'élaboration de modèles théoriques impliquant l'axion QCD, un candidat majeur à la matière noire, tandis que le professeur de recherche Abe Seiden a contribué à des efforts expérimentaux majeurs sondant la structure des hadrons (particules constituées de quarks) dans des expériences de physique des hautes énergies.

Dans les nouveaux travaux de Profumo, la force forte est reproduite dans le secteur sombre sous la forme d'une théorie confinante de la « QCD sombre », où ses propres particules – quarks sombres et gluons sombres – se lient pour former des particules composites lourdes appelées baryons sombres. Dans certaines conditions de l'univers primordial, ces baryons sombres pourraient devenir suffisamment denses et massifs pour s'effondrer sous l'effet de leur propre gravité en trous noirs extrêmement petits et stables – ou en objets se comportant comme des trous noirs.

Ces vestiges, semblables à des trous noirs, seraient à peine quelques fois plus lourds que la masse de Planck – l'échelle de masse fondamentale de la gravité quantique – mais, produits en quantité suffisante, ils pourraient expliquer toute la matière noire observée aujourd'hui. Comme ils n'interagiraient que par gravité, ils seraient totalement invisibles aux détecteurs de particules – et pourtant, leur présence façonnerait l'univers aux plus grandes échelles.

Ce scénario offre un nouveau cadre testable, fondé sur une physique bien établie, tout en prolongeant les recherches de longue date de l'UC Santa Cruz sur la manière dont des principes théoriques profonds pourraient contribuer à expliquer l'une des plus grandes questions ouvertes de la cosmologie.

À l'horizon

L'autre étude récente de Profumo, publiée en mai dans la même revue, explore la possibilité que la matière noire soit produite par l'expansion de l'« horizon cosmique » de l'univers – l'équivalent cosmologique de l'horizon des événements d'un trou noir.

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Cet article se demande : si l'univers avait connu une brève période d'expansion accélérée après l'inflation – une période moins extrême que l'inflation, mais dont l'expansion était néanmoins supérieure à celle permise par le rayonnement ou la matière – cette phase aurait-elle pu elle-même « irradier » des particules ?

Utilisant les principes de la théorie quantique des champs dans un espace-temps courbe, l'article montre qu'une large gamme de masses de matière noire pourrait résulter de ce mécanisme, en fonction de la température et de la durée de cette phase.

Il est important de noter que Profumo a expliqué que cela ne nécessite aucune hypothèse sur les interactions de la matière noire, mais seulement qu'elle est stable et produite gravitationnellement. L'idée s'inspire de la façon dont les observateurs proches des horizons cosmiques, comme ceux d'un trou noir, perçoivent le rayonnement thermique dû aux effets quantiques.

« Ces deux mécanismes sont hautement spéculatifs, mais ils offrent des scénarios autonomes et calculables qui ne reposent pas sur les modèles conventionnels de matière noire particulaire, de plus en plus mis à mal par les résultats expérimentaux nuls », a déclaré Profumo, également directeur adjoint de la théorie à l'Institut de physique des particules de Santa Cruz.

On pourrait dire que Profumo a écrit ce livre sur la quête de compréhension de la nature de la matière noire. Son manuel de 2017, « An Introduction to Particle Dark Matter », présente les enseignements qu'il a personnellement tirés et utilisés dans ses travaux de recherche grâce aux techniques de pointe développées par les scientifiques au fil des ans pour construire et tester des modèles particulaires de la matière noire.

L'ouvrage décrit le « paradigme de la matière noire » comme « l'un des développements clés à l'interface de la cosmologie et de la physique des particules élémentaires ». Il s'adresse à toute personne intéressée par la nature microscopique de la matière noire telle qu'elle se manifeste dans les expériences de physique des particules, les observations cosmologiques et les phénomènes astrophysiques de haute énergie.

Les chercheurs de l'UC Santa Cruz jouent un rôle clé en cosmologie depuis des décennies, contribuant au développement du modèle standard de matière noire froide lambda – toujours le plus adapté à toutes les données cosmologiques – et à l'étude théorique et observationnelle de la formation des structures de l'univers. De plus, l'UC Santa Cruz soutient depuis longtemps une interaction étroite entre théorie et observation, avec des points forts en physique des particules, en astrophysique et en cosmologie de l'univers primitif.

Profumo a déclaré que ces publications récentes s'inscrivent dans cette tradition, explorant des idées reliant les questions les plus profondes de la physique des particules au comportement à grande échelle du cosmos. « Et ils le font d’une manière qui reste ancrée dans la physique connue – qu’il s’agisse de la théorie quantique des champs dans l’espace-temps courbe ou des propriétés bien étudiées des théories de jauge SU(N) – tout en les étendant à de nouvelles frontières », a-t-il déclaré

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RESUME

es théories sur les origines de la matière noire pointent vers un « monde miroir » et les limites de l'univers

Deux études récentes du professeur Stefano Profumo de l'Université de Californie à Santa Cruz proposent des théories qui tentent de répondre à l'une des questions les plus fondamentales de la physique moderne : quelle est la nature particulaire de la matière noire ?

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COMMENTAIRES

1/ Historiquement quelles sont les origines de la matière noire ?Ce serait des particules invisibles que nous ne connaissons actuellement que grâce à leurs effets gravitationnels. En termes cosmiques, les particules de matière noire pourraient être une « relique thermique », formée dans l'univers primordial chaud, puis abandonnée lors des transitions vers des ères ultérieures plus modérées.

2/

Qu'est-ce que la théorie de la Vallée Cachée de la matière noire ?

Des candidats à la matière noire apparaissent fréquemment dans les théories suggérant une physique au-delà du Modèle standard, comme la supersymétrie et les dimensions supplémentaires. Une théorie suggère l'existence d'une « Vallée Cachée », un monde parallèle constitué de matière noire ayant très peu de points communs avec la matière que nous connaissons

personnellement j ai une hypothèse a proposer     : des assemblges denses et quasi stables de   N électrons - positrons se neutralisant completement !!!

L univers primitif etait peut etre plus symetrique ????

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More information: Stefano Profumo, Dark matter from quasi–de Sitter horizons, Physical Review D (2025). DOI: 10.1103/vmw2-4k77

Stefano Profumo, Dark baryon black holes, Physical Review D (2025). DOI: 10.1103/PhysRevD.111.095010

Journal information: Physical Review D 

Provided by University of California - Santa Cruz