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Sans la matière noire, notre propre galaxie, la Voie lactée, serait incapable de maintenir la cohésion de sa structure en spirale. Les travaux auxquels participe la Pre Maia Vergniory, de l'Institut quantique, permettent à la science de s'approcher d'une explication de ce phénomène.
Photo: Michel Caron - UdeS
Grâce aux découvertes réalisées par l'astronome Edwin Hubble, en 1929, nous savons que l'Univers est en expansion depuis sa naissance. Mais les mesures qui ont suivi sur la vitesse de cette expansion ont révélé une énigme qui fascine la communauté scientifique depuis des décennies: en vertu des lois de la physique, la masse observable de l'Univers est nettement insuffisante pour permettre les vitesses mesurées.
Pour expliquer le phénomène, nombre de chercheuses et de chercheurs ont postulé, dès les années 30, l'existence d'une "matière noire", un matériau indétectable par les moyens classiques, qui composerait près de 85 % de la masse universelle totale et permettrait de maintenir la cohésion des structures comme les galaxies.
Parmi les hypothèses avancées pour décrire la nature de cette matière inconnue se trouvent les axions, des particules théoriques initialement proposées pour résoudre le problème de la symétrie de charge-parité (CP) forte dans le Modèle Standard en physique. Ces particules, que la recherche tente de débusquer depuis plus de 40 ans, auraient été générées au moment du big bang.
C'est en tentant de les observer que l'équipe internationale dont fait partie la professeure Maia Vergniory, de la Faculté des sciences de l'UdeS, a réalisé une percée expérimentale déterminante, qui rapproche la science d'une preuve de leur existence. La professeure Vergniory cosigne ainsi une avancée majeure dont les résultats pourraient éclairer notre compréhension d'un des plus grands mystères de notre temps, et font l'objet d'une publication dans la prestigieuse revue Science, ce vendredi 10 janvier 2025.
"C'est une avancée extraordinaire, car, en plus d'expliquer un mystère important de notre histoire naturelle, cette percée a le potentiel d'engendrer des gains technologiques substantiels. Les cristaux que nous avons conçus pour réaliser notre expérience sont capables de guider les photons vers leur bordure dans une seule direction, sans dériver - une propriété essentielle à la transmission de données, qui pourrait également diminuer les risques d'erreurs en informatique quantique." explique la Professeure Maia Vergniory, Faculté des sciences.
Pour réaliser sa percée, l'équipe a d'abord imaginé et conçu des structures cristallines géométriques faites à partir d'un matériau de synthèse choisi pour ses propriétés magnétiques et optiques, le grenat d'yttrium-fer.
L'équipe a observé que, sur les bordures tridimensionnelles de ces structures, les photons se déplaçaient de façon unidirectionnelle - par exemple, en montant, en avançant et vers la droite - sans subir de phénomènes tels que la diffusion vers l'arrière. Or, ce comportement des photons dans le cristal correspond également à ce que prédit la théorie pour les axions, suggérant ainsi que les photons observés sont, en fait, des axions convertis en photons.
"Nous nous rapprochons ainsi du jour où nous pourrons prouver leur existence par une observation directe, ce qui constituerait une avancée importante dans notre compréhension de la matière noire." indique la Professeure Maia Vergniory.
La prochaine étape pour l'équipe consistera à optimiser ses structures cristallines afin de les utiliser dans des expériences visant à détecter des photons convertis à partir d'axions dans des conditions extrêmes, telles que de puissants champs magnétiques.
Trois candidates théoriques pour expliquer la matière noire
La matière noire est un matériau mystérieux détectable uniquement par les effets gravitationnels qu'elle exerce sur son entourage. Si elle n'a toujours pas été observée directement, trois particules théoriques sont des candidates pour expliquer son existence:- Les axions: des particules hypothétiques légères générées au moment du Big Bang.
- Les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles): des particules massives interagissant faiblement.
- Les MACHOs (Massive Compact Halo Objects): des objets compacts tels que des étoiles mortes ou des trous noirs (aujourd'hui considérés comme insuffisants pour expliquer la matière noire).
La recherche à laquelle a contribué Maia Vergniory a mobilisé de nombreuses personnes sur trois continents. Dirigée par le professeur Zhang Baile, de l'Université technologique de Nanyang (Singapour), elle a également réuni des chercheuses et chercheurs de l'Institut Max Planck pour la physique chimique des solides (Allemagne), de l'École polytechnique fédérale de Zurich (Suisse), du Centre international de physique de Donostia (Espagne), de l'Université du Pays basque et de la Fondation basque pour la science (Espagne), de l'Université technologique de Dongguan (Chine), de l'Université de Nanjing (Chine), de la Southern University of Science and Technology (Chine), de l'Université d'électronique, de sciences et de technologie de Chine, et de l'Université Westlake (Chine).