Un signal mystérieux autour de la Terre pourrait être de la matière noire
La matière noire demeure l’une des plus grandes énigmes de la physique moderne. Les astronomes sont convaincus de son existence et estiment qu’elle constitue environ un quart de la totalité de l’énergie de l’univers, bien que la composition exacte de cette matière reste inconnue.
Parmi les hypothèses envisagées, deux particules hypothétiques se distinguent : les axions ultralégers et les photons sombres. Dans la gamme de masse examinée par les chercheurs, ces particules seraient extraordinairement légères, environ 19 à 21 ordres de grandeur plus légères qu’un électron.
Transformer la Terre en un gigantesque détecteur de matière noire
De nombreuses expériences traditionnelles sur les axions tentent de les convertir en photons en les exposant à des champs magnétiques extrêmement puissants dans des laboratoires. Le principal défi réside dans l’échelle, car même les aimants les plus puissants ne couvrent qu’une zone relativement petite.
Des chercheurs de l’Université de Kyoto, de l’Université de Hiroshima et de l’Université de Nihon ont trouvé une solution à cette limitation. Au lieu de se fier uniquement à l’équipement de laboratoire, ils se sont demandé si l’environnement magnétique de la Terre pouvait être utilisé dans le cadre de l’expérience. « Nous nous sommes demandé si nous pouvions utiliser la Terre elle-même comme un gigantesque détecteur dans cette recherche », déclare Atsushi Taruya, auteur correspondant de l’étude. « La cavité Terre-ionosphère agit comme un résonateur naturel qui amplifie les ondes électromagnétiques dans la gamme de masse que nous souhaitions explorer. »
La région entre la surface de la Terre et l’ionosphère peut résonner naturellement avec des ondes électromagnétiques, semblable à une grande cavité, ce qui la rend particulièrement utile pour rechercher des signaux associés aux particules ultralégères.
Élargir la recherche à des fréquences plus élevées
Un obstacle majeur était que la théorie précédente ne pouvait décrire de manière fiable que les fréquences inférieures à 1 Hz, laissant une grande partie de la gamme de fréquences potentiellement utile inexplorée. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont développé un nouveau cadre théorique prenant en compte la conductivité électrique de l’atmosphère. Leurs calculs ont montré que la cavité Terre-ionosphère peut amplifier des signaux proches de 8 Hz et leur ont permis de faire des prévisions fiables jusqu’à environ 30 Hz.
Le modèle a également prédit une différence importante entre les deux candidats de matière noire. Les signaux produits par les axions devraient varier en fonction de la localisation, avec les plus forts attendus en Asie du Sud-Est. Les signaux des photons sombres, en revanche, devraient apparaître avec une intensité presque uniforme à travers le monde.
Une décennie de données magnétiques mises à l’épreuve
En utilisant ce cadre, l’équipe a examiné environ 10 ans de mes géomagnétiques collectées entre 2012 et 2022 par l’Observatoire d’Eskdalemuir du British Geological Survey. Les chercheurs ont d’abord éliminé les sources de bruit artificiel des données, puis ont cherché un type de signal stable concentré dans une très étroite gamme de fréquences, que l’on s’attend à ce que la matière noire produise sur de longues périodes. Les résultats ont ensuite été soumis à une analyse statistique.
La même approche théorique a également été appliquée aux photons sombres. Contrairement aux axions, les photons sombres peuvent produire des ondes électromagnétiques même en l’absence de champ magnétique, ce qui a conduit les chercheurs à rechercher la signature différente que ces particules pourraient créer.
Limites renforcées et candidats de signaux mystérieux
En utilisant efficacement la Terre comme détecteur pour une certaine gamme de masses d’axions, les chercheurs ont établi de nouvelles limites sur la façon dont les axions pourraient interagir avec la lumière. Ces limites étaient environ 100 fois plus strictes que le précédent meilleur résultat d’une expérience terrestre. Elles étaient également compétitives avec les contraintes dérivées des observations astrophysiques en rayons X réalisées par des observatoires tels que Chandra et NuSTAR, bien que ces limites astrophysiques dépendent de certaines hypothèses théoriques.
La recherche sur les photons sombres a produit un résultat particulièrement intrigant. Les chercheurs ont identifié plusieurs candidats de signaux qui pourraient potentiellement avoir une origine de matière noire. Cependant, la source de ces signaux demeure inconnue, et ils n’ont pas été confirmés comme preuve de matière noire.
L’identité véritable de la matière noire reste donc non résolue. Néanmoins, le nouveau cadre théorique pourrait offrir aux chercheurs un moyen puissant d’élargir les recherches futures et d’utiliser l’environnement électromagnétique naturel de la Terre comme outil pour explorer certaines des formes de matière noire les plus légères possibles.
Source : Kyoto University, Hiroshima University, Nihon University.
