Des scientifiques des universités Johannes Gutenberg de Mayence et de Grenade sont partis à la recherche d’une hypothétique particule pouvant servir de portail vers une cinquième dimension recourbée. Ce n’est pas le synopsis d’un film de science-fiction mais le résultat assez stupéfiant d’une récente étude qui tente de lever le voile sur certaines des énigmes les plus persistantes de la science.
Publiée le mois dernier dans la revue The European Physical Journal C, l’étude suggère que l’existence de cette particule spéculative pourrait « fournir une explication naturelle » à l’abondance de matière noire, la substance non identifiée qui représente la majeure partie de la masse de l’univers, et résoudre des problèmes actuellement insolubles concernant les particules subatomiques appelées fermions.
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La « présence d’une nouvelle physique » pourrait expliquer ces mystères fondamentaux en présentant un modèle de l’univers possédant une cinquième dimension. « Nous travaillons sur un sujet similaire depuis un certain temps, expliquent les chercheurs. Notre motivation initiale était d’expliquer l’origine possible des masses de fermions dans des théories avec une dimension supplémentaire recourbée. Nous savions que les masses de ces particules avaient des caractéristiques particulières, qui réclamaient une explication. »
Depuis longtemps, la science s’interroge sur la question de savoir si les quatre dimensions que l’homme peut comprendre sont vraiment tout ce que l’univers a à offrir. En travaillant sur des équations du champ à 5 dimensions en relation avec les masses de fermions, l’équipe a esquissé l’existence d’un nouveau champ scalaire associé à une particule spéculative qui est à peu près similaire au champ de Higgs.
« Si cette particule lourde existe, elle reliera nécessairement la matière visible que nous connaissons et que nous avons étudiée en détail avec les constituants de la matière noire. »
« Nous avons constaté que le nouveau champ scalaire avait un comportement intéressant et non trivial le long de la dimension supplémentaire, explique l’équipe. Étant donné que cette nouvelle particule a des propriétés quantiques très similaires à celles du boson de Higgs, nous avons tout naturellement supposé que les deux particules devraient se mélanger, ce qui signifie que leurs fonctions d’ondes mécaniques quantiques sont étroitement liées. L’étude de ce mélange était l’une de nos motivations initiales. »
En étudiant cette hypothèse, les physiciens se sont rendu compte que le fermion pouvait offrir « une fenêtre unique » sur la matière noire, car il serait capable de servir de médiateur entre une nouvelle force reliant la matière noire et son homologue baryonique plus familier, qui prend la forme d’étoiles, de planètes et de tout ce que nous pouvons détecter avec l’astronomie traditionnelle basée sur la lumière.
« Si cette particule lourde existe, elle reliera nécessairement la matière visible que nous connaissons et que nous avons étudiée en détail avec les constituants de la matière noire, en supposant que la matière noire est composée de fermions fondamentaux, qui évoluent dans la dimension supplémentaire, expliquent les chercheurs. Ce n’est pas une idée exagérée, puisque nous savons que la matière ordinaire est faite de fermions et que, si cette dimension supplémentaire existe, ils s’y propageront très probablement. »
Les modèles de la particule hypothétique proposés par les chercheurs respectent les observation bien réelles de l’abondance de matière noire dans l’univers. Cet accord général avec des preuves empiriques, ainsi que l’important travail mathématique de l’étude, démontre que la particule pourrait être « un nouveau messager possible vers le secteur sombre ».
« Une autre possibilité, que nous n’avons pas encore explorée, est que cette nouvelle particule pourrait jouer un rôle important dans l’histoire cosmologique de l’univers. »
« Par conséquent, la confirmation de l’existence d’une telle particule scalaire ouvrira une voie passionnante vers la découverte possible de la matière noire, dit l’équipe. Cela nous donnera en particulier des informations très utiles sur l’éventuelle gamme de masse de la matière noire et ses interactions avec les particules que nous connaissons aujourd’hui. »
Maintenant que les chercheurs ont une théorie relativement plausible, l’expérience doit la conforter. Le boson de Higgs a finalement été repéré par le Grand collisionneur de hadrons (LHC) en Suisse en 2012, une découverte qui a été récompensée par un prix Nobel de physique. Toutefois, le LHC ne serait pas équipé pour rechercher la particule proposée dans la nouvelle étude, car elle serait trop lourde pour être générée dans une installation actuelle.
Bien que la particule puisse être détectable pour la nouvelle génération de collisionneurs qui ont été proposés, comme le collisionneur linéaire international, le collisionneur linéaire compact (CLIC) et le futur collisionneur circulaire, les chercheurs indiquent qu’« en raison de sa grande masse, les perspectives d’une découverte directe semblent très difficiles, même aux hautes énergies avancées pour une telle machine (100 TeV). »
Malgré cela, les chercheurs pensent que la particule pourrait être détectée plus indirectement, par exemple en observant les ondes gravitationnelles, qui sont des ondulations dans l’espace-temps. « Une autre possibilité, que nous n’avons pas encore explorée, est que cette nouvelle particule pourrait jouer un rôle important dans l’histoire cosmologique de l’univers, et pourrait produire des ondes gravitationnelles qui peuvent être recherchées avec les futurs détecteurs d’ondes gravitationnelles », ajoutent les chercheurs.
Les futures études sur la matière noire pourraient également contribuer à limiter les chances d’existence de la particule. L’équipe est donc optimiste quant au développement de son concept en cinquième dimension, parallèlement aux progrès de la physique des particules et de la cosmologie. Au-delà de ses implications pour la compréhension de la matière noire, la particule, si elle existe, pourrait faire la lumière sur des dilemmes scientifiques de longue date, comme le puzzle des saveurs ou le problème de la hiérarchie, tout en ouvrant une nouvelle fenêtre sur l’univers primitif.
« On pourrait étudier le rôle potentiel joué par la nouvelle particule scalaire dans la stabilisation de la dimension supplémentaire, dit l’équipe. Cela pourrait également conduire, à terme, à une histoire cosmologique intéressante de l’univers et à la production d’ondes gravitationnelles. C’est une ligne de recherche intéressante, que nous prévoyons de suivre dans les mois à venir. »
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