27/12/22 L’existence de photons noirs pourrait-elle expliquer celle de la matière noire intergalactique?

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.

Il est très difficile de se passer de l’existence de particules dites de matière noire, car très peu ou pas en mesure d’émettre de la lumière, pour expliquer l’existence des galaxies et bien des caractéristiques des grandes structures qu’elles forment en se rassemblant en amas.

Plusieurs théories ont été proposées au-delà de la physique décrite par le Modèle standard des hautes énergies, modèle spectaculairement vérifié toutefois jusqu’ici au LHC qui s’est montré incapable de produire et de détecter les particules de matière noire prédites par ces théories.

Des expériences de détections directes et indirectes dans les rayons cosmiques se sont également révélées négatives. Mais souvent, elles supposaient que les particules de matière noire étaient lourdes, plus que les protons et les neutrons, des baryons. C’est pourquoi ces dernières années, les chercheurs explorent plus attentivement les théories avec des particules de matière noire particulièrement légères.

Un groupe international de chercheurs — dont certains sont par exemple de la célèbre École internationale supérieure d’études avancées (en italien, Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati, souvent abrégé en Sissa) située à Trieste en Italie ou de l’Université de Tel Aviv — vient de publier un intéressant article dans Physical Review Letters à ce sujet. Une version en accès libre existe sur arXiv.

Une matière noire parfois lumineuse

Selon ces cosmologistes travaillant dans le domaine dit des astroparticules, un certain type de matière noire, qui peut toutefois se convertir parfois en lumière à la façon dont les neutrinos oscillent et se convertissent les uns dans les autres, se manifeste peut-être dans certaines observations concernant les filaments de matière ordinaire intergalactiques, filaments censés aussi contenir de la matière noire.

Ce type de particule de matière noire serait précisément celui où l’on a introduit plusieurs variantes de ce que l’on appelle des photons noirs. En utilisant le Cosmic Origin Spectrograph (COS), un instrument à bord du télescope spatial Hubble, les chercheurs pensent avoir une signature possible de l’existence de ces photons noirs.

En effet, on peut modéliser sur ordinateur la formation des filaments intergalactiques ainsi que leurs caractéristiques physiques, comme leur température et donc la quantité de lumière qu’ils émettent en réponse.

Or le compte n’y est pas avec la modélisation ordinaire selon Matteo Viel (Sissa). COS montre ainsi que les filaments sont anormalement chauds. Mais tous rentreraient dans l’ordre avec des photons noirs ultra légers et qui peuvent donc, comme on l’a dit, se transformer en photons ordinaires contribuant à chauffer la matière baryonique des filaments intergalactiques. Mais, contrairement à d’autres mécanismes de chauffage basés sur des processus astrophysiques classiques, tels que la formation d’étoiles et de vents galactiques, ce processus de chauffage est plus diffus et efficace aussi dans les régions peu denses en matière ordinaire.

Il est encore trop tôt pour en conclure que la matière noire existe bien et qu’elle est constituée de photons noirs mais cela donne à penser…, surtout que les photons noirs peuvent s’inscrire dans le cadre de ce que l’on appelle l’hypothétique matière miroir.

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Search for Mirror Dark Matter

An example of Dark Sector is Mirror Dark Matter. The idea that along with the ordinary matter may exist its exact mirror copy, introduced for the parity conservation, is not new. Accordingly, each ordinary particle of the SM has a corresponding mirror partner of exactly the same mass as the ordinary one. The mirror fields are all singlets under the SM SUc(3)⊗SUL(2)⊗U(1) gauge group. Mirror matter is dark in terms of the SM inter actions, and could be a good candidate for dark matter. In addition to gravity, the interaction between our and this type of dark matter could be transmitted by some gauge singlet particles interacting with both sectors. Any neutral, elementary or composite particle, in principle, can have mixing with its mirror duplicate. This results in several interesting phenomena, such, e.g. as Higgs, positronium, muonium, or neutron oscillations into their hidden partner, which have been or planned to be experimentally tested]. P348 plans to search for the K_L – mirror K_L oscillations, which would manifest themselves through the K_L → invisible decay. 

See, arXiv:1409.2288; 1503.01595.

Submitted on 27 Jun 2022]

Hints of dark photon dark matter from observations and hydrodynamical simulations of the low-redshift Lyman-α forest

James S. BoltonAndrea CaputoHongwan LiuMatteo Vielecent work has suggested that an additional ≲6.9eV per baryon of heating in the intergalactic medium is needed to reconcile hydrodynamical simulations with Lyman-α forest absorption line widths at redshift z≃0.1. Resonant conversion of dark photon dark matter into low frequency photons is a viable source of such heating. We perform the first hydrodynamical simulations including dark photon heating and show that dark photons with mass mA′∼8×10−14eVc−2 and kinetic mixing ϵ∼5×10−15 can alleviate the heating excess. A prediction of this model is a non-standard thermal history for underdense gas at z≳3.

Comments:5+1 pages, 2+1 figures
Subjects:High Energy Physics – Phenomenology (hep-ph); Cosmology and Nongalactic Astrophysics (astro-ph.CO)
Cite as:arXiv:2206.13520 [hep-ph]
 (or arXiv:2206.13520v1 [hep-ph] for this version)
 https://doi.org/10.48550/arXiv.2206.13520 Focus to learn more

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