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Matière Noire : des dimensions supplémentaires mises en évidence ?

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Voici en tout cas ce que proposent B. Quin, U.L. Pen et J. Silk, dans un article soumis à la revue Physics Review Letters. Les physiciens proposent depuis plusieurs décennies des modèles dans lesquels le monde qui nous entoure posséderait non pas 3 dimensions d'espace comme le suggère l'intuition, mais un nombre plus élevé, les dimensions supplémentaires échappant à notre perception naturelle du fait de leur très petite taille : elles seraient enroulées sur elles-mêmes sur des distances microscopiques. Nous ne verrions que les dimensions de grande taille, de la même façon qu'un tuyau d'arrosage vu de loin nous apparaît comme une ligne (unidimensionnelle) alors que vue de près, sa surface est bidimensionnelle. En fait, les théoriciens envisagent aussi des situations plus complexes où les dimensions supplémentaires auraient des dimensions non microscopiques.

Matière noire - vue d'artiste

Cette idée de dimensions supplémentaires est dans l'air depuis des décennies, mais elle trouve son application la plus aboutie dans la théorie des cordes. Il s'agit d'une théorie fondamentale en cours de construction et d'étude, dont le but final serait d'expliquer dans un cadre commun les propriétés de toutes les particules connues. Il existe plusieurs versions de la théorie des cordes, et bien que toutes inachevées, certaines permettent déjà de faire quelques prédictions physiques. L'une d'entre elle serait que la force gravitationnelle changerait radicalement de forme à petite distance, elle pourrait en particulier devenir beaucoup plus intense que ce que prédit la fameuse loi de Newton (la force décroît comme le carré de la distance).

Or, une augmentation de la force gravitationnelle à courte distance pourrait apporter une lumière nouvelle sur un des grands problèmes astrophysiques actuels, la matière noire. Un grand nombre d'observations astrophysiques laissent supposer que l'Univers est constitué d'une grande quantité de matière d'un type nouveau, la matière noire (cf dossier matière noire, ci-dessous). Il se trouve que la physique des particules prédisait de son côté, et pour des raisons totalement étrangères à l'astrophysique, l'existence de particules nouvelles. Il est donc apparu un scénario assez naturel, selon lequel la matière noire serait constituée de particules élémentaires de faible vitesse et sans interactions mutuelles autres que gravitationnelles. On parle de matière noire froide sans collisions.

Ce scénario peut être crédité de nombreux succès, mais souffre aussi de quelques pathologies. En particulier, de nombreuses études indiquent que selon ce scénario, les galaxies devraient contenir en leur coeur une énorme concentration de matière noire, ce qui devrait conduire à des effets caractéristiques que l'on n'observe pas. Plusieurs équipes ont alors contourné cette difficulté en introduisant un scénario un peu plus complexe selon lequel les particules de matière noire pourraient interagir les unes avec les autres par une force autre que gravitationnelle.

La cinétique des galaxie implique la présence de matière noire mais des difficultés subsistent

C'est ici qu'intervient l'article de Qin, Pen et Silk. Ces auteurs suggèrent en effet que selon certains modèles de théorie des cordes, la force gravitationnelle elle-même (en fait sa déviation par rapport à la loi de Newton en 1/r2) pourrait jouer le rôle de l'interaction supplémentaire qui résout les problèmes précédents. Les auteurs soulignent que cette proposition permet un test direct de prédictions de la théorie des cordes.

Toutefois, si l'on peut comprendre l'enthousiasme des auteurs devant l'excellente idée qu'ils exposent dans cet article, il convient toutefois d'être prudent sur la manière de présenter ces résultats. En particulier, et les auteurs le soulignent aussi, les deux idées sur lesquelles ils reposent sont spéculatives : la théorie des cordes n'est même pas encore une théorie achevée, et les interactions de la matière noire sont loin d'être une évidence du point de vue expérimental. Il semble donc prématuré d'annoncer que l'on a trouvé la preuve de l'existence de dimensions supplémentaires grâce à la matière noire, comme on a pu le lire de-ci de-là.

Si la proposition des auteurs est correcte, elle devrait trouver une confirmation nette grâce au collisionneur LHC quand celui-ci sera en fonctionnement, à partir de 2007. Les astrophysiciens n'attendront pas jusque-là pour explorer les implications de cette nouvelle idée, mais l'annonce éclatante devra, elle, attendre.

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