Les scientifiques se tournent vers le champ magnétique terrestre à la recherche d'insaisissables candidates à la matière noire

Des chercheurs se tournent vers le propre champ géomagnétique de la Terre comme un vaste détecteur naturel pour rechercher la matière noire, en se concentrant sur deux candidates théoriques majeures au rang de particules, connues sous le nom d'axions ultralégers et de photons noirs, selon des informations de phys.org.

Malgré des décennies d'observations astronomiques confirmant que la matière noire constitue environ un quart du contenu énergétique total de l'univers, l'identité fondamentale de ces entités invisibles reste inconnue. Les expériences traditionnelles en laboratoire ont passé des années à tenter de créer ou de détecter des particules candidates au moyen d'équipements terrestres, mais les chercheurs se tournent de plus en plus vers des phénomènes à l'échelle planétaire pour élargir l'espace des paramètres de recherche.

## Réutiliser les champs magnétiques planétaires

La nouvelle approche repose sur le principe selon lequel certaines candidates théoriques à la matière noire peuvent interagir avec les champs électromagnétiques, comme l'a rapporté phys.org. Lorsqu'elles traversent un champ magnétique puissant, des particules telles que les axions ultralégers ou les photons noirs devraient se convertir en photons ordinaires, créant ainsi de minuscules signaux électromagnétiques détectables.

En utilisant le champ magnétique global de la Terre — une magnétosphère s'étendant sur des milliers de kilomètres dans l'espace —, les physiciens peuvent virtuellement transformer la planète entière en un détecteur de particules géant. Au lieu de s'en remettre uniquement à des champs magnétiques artificiels générés par des aimants supraconducteurs de laboratoire, intrinsèquement limités en taille physique, les chercheurs peuvent analyser de subtiles fluctuations dans les données des champs magnétique et électrique planétaires. Cette stratégie permet aux scientifiques d'explorer des gammes de masses et des intensités de couplage qui étaient jusqu'alors inaccessibles avec les équipements de laboratoire terrestres.

## Le casse-tête de la matière noire

L'identité de la matière noire représente l'un des problèmes non résolus les plus marquants de la physique et de la cosmologie modernes. Les observations de la vitesse de rotation des galaxies, des lentilles gravitationnelles autour des amas de galaxies et du fond diffus cosmologique indiquent toutes que la matière visible — les atomes composant les étoiles, les planètes et les organismes vivants — ne compte que pour environ cinq pour cent du bilan énergétique total de l'univers.

La matière noire en représente environ 27 pour cent, l'énergie noire complétant le reste. Comme la matière noire n'absorbe, ne réfléchit ni n'émet de lumière, sa présence est entièrement déduite de son attraction gravitationnelle sur les structures visibles du cosmos. Pendant des décennies, la candidate théorique dominante pour la matière noire était la particule massive interagissant faiblement, ou WIMP. Cependant, alors que les collisionneurs de particules à haute énergie et les détecteurs souterrains profonds n'ont de cesse d'échouer à observer les WIMP, l'attention de la communauté des physiciens s'est nettement déplacée vers des candidates alternatives, notamment des particules extrêmement légères présentant un comportement ondulatoire.

## Des candidates sous le microscope

Parmi ces candidates alternatives, les axions ultralégers et les photons noirs sont émergés comme sujets d'étude principaux. Les axions ont été postulés à l'origine à la fin des années 1970 pour résoudre un dilemme théorique en chromodynamique quantique connu sous le nom de problème CP fort, qui concerne la raison pour laquelle les forces nucléaires fortes semblent respecter la symétrie de charge-parité. Les physiciens théoriciens ont réalisé plus tard que si les axions existent, ils auraient été produits en vastes quantités dans l'univers primordial, ce qui en fait de solides candidats pour la matière noire.

Les photons noirs, en revanche, sont des particules hypothétiques véhiculant une force, associées à un secteur caché supposé de la physique. Alors que les photons standard véhiculent la force électromagnétique pour la matière ordinaire, les photons noirs interagiraient principalement avec d'autres particules du secteur noir, tout en se mélangeant faiblement aux photons standard sous certaines conditions spécifiques. En raison de leurs masses exceptionnellement faibles, les axions ultralégers tout comme les photons noirs se comportent davantage comme des ondes classiques cohérentes que comme des particules individuelles distinctes, ce qui entraîne des signatures ondulatoires caractéristiques lorsqu'ils interagissent avec des champs magnétiques planétaires.

## Les avantages de la détection à l'échelle planétaire

Le principal avantage de l'utilisation du champ géomagnétique comme milieu expérimental réside dans son volume massif. Dans les expériences de physique des particules cherchant des conversions de champ, l'intensité du signal varie généralement en fonction de l'intensité du champ magnétique multipliée par le volume de la région sur laquelle ce champ s'étend.

Bien que les détecteurs de laboratoire fabriqués par l'homme, tels que les haloscopes et les hélioscopes, puissent générer des champs magnétiques extrêmement puissants, ces champs sont confinés dans des volumes de quelques mètres cubes ou moins. En revanche, bien que le champ magnétique terrestre soit relativement faible à la surface — allant d'environ 25 à 65 microteslas —, il s'étend sur une portée spatiale de dizaines de milliers de kilomètres. Ce volume immense compense la plus faible intensité du champ, offrant une sensibilité exceptionnelle aux champs de matière noire ultralégère à basse fréquence.

Pour rechercher ces signaux potentiels, les chercheurs peuvent s'appuyer sur des réseaux existants de magnétomètres terrestres, des observations par satellite et des stations spécialisées de surveillance des radiofréquences. En analysant les corrélations croisées des données collectées sur plusieurs sites géographiques, les scientifiques peuvent chercher des oscillations électromagnétiques cohérentes et globales qui signaleraient la conversion de particules de matière noire traversant la magnétosphère terrestre.

## Implications pour la physique fondamentale

La détection d'axions ou de photons noirs grâce à des observations géomagnétiques représenterait une avancée majeure pour la science fondamentale. Identifier la composition de la matière noire permettrait non seulement de résoudre une question cosmologique centrale, mais fournirait également la première preuve directe d'une physique au-delà du Modèle Standard, le cadre prédominant qui décrit les particules et les forces fondamentales.

Même si les recherches géomagnétiques actuelles ne conduisent pas immédiatement à une découverte directe, cette méthodologie apporte une valeur cruciale en imposant de nouvelles contraintes strictes sur la masse et l'intensité d'interaction potentielles des candidates à la matière noire. L'établissement de limites plus précises aide les physiciens théoriciens à affiner leurs modèles et permet aux expérimentateurs de cibler les domaines sur lesquels la future technologie des détecteurs devrait se concentrer.

## Et ensuite ?

À mesure que les méthodes d'acquisition de données et les algorithmes de traitement du signal continuent de s'améliorer, les chercheurs prévoient d'analyser des ensembles de données plus vastes provenant d'observatoires géomagnétiques terrestres et de satellites spatiaux. Des collaborations interdisciplinaires combinant l'expertise de la physique des particules, de la géophysique et de l'astronomie d'observation devraient jouer un rôle central dans le perfectionnement de ces techniques d'analyse.

Les travaux futurs consisteront à filtrer le bruit de fond causé par les interactions du vent solaire, les courants ionosphériques et les interférences électromagnétiques d'origine humaine, afin de garantir que tout signal détecté puisse être relié de manière définitive à des conversions de matière noire plutôt qu'à des phénomènes géophysiques locaux.

Cet article a été préparé à partir d'informations publiées par phys.org.