Voici ce que savent les scientifiques sur le portail vers la cinquième dimension

L’un des plus grands problèmes non résolus en astrophysique est l’existence de la matière noire. Depuis les années 1930, il a été prouvé à maintes reprises que cette mystérieuse matière exerçait ses forces gravitationnelles sur le cosmos. On estime que la matière noire représente 75 % de toute la matière de l’univers et qu’elle existait peut-être même avant le Big Bang. Sans matière noire, les galaxies seraient déchirées par leurs propres forces de rotation, la lentille gravitationnelle observée par les télescopes spatiaux et prédite par Albert Einstein serait impossible et la structure de la « toile cosmique » s’effondrerait. Il s’agit clairement d’une caractéristique importante de notre univers, c’est pourquoi la nature insaisissable de la matière noire est si frustrante. Heureusement, après un siècle de recherches, les scientifiques pourraient enfin se concentrer sur l’identification du type de matière le plus abondant dans l’univers.

En 2021, une équipe de physiciens théoriciens européens a publié un article dans The European Physical Journal intitulé « Un portail scalaire déformé vers la matière noire fermionique ». L’article s’appuie sur une proposition de 1999 selon laquelle la matière noire pourrait être expliquée en incorporant des particules voyageant dans les dimensions, appelées fermions, dans notre modèle d’espace-temps. Les mathématiques sont compliquées, mais à leur niveau le plus élémentaire, ces fermions théoriques pourraient entrer et sortir à travers des portails « d’espace déformé » de cinquième dimension et influencer les champs gravitationnels des galaxies. Le modèle expliquerait les phénomènes attribués à la matière noire.

Le plus grand obstacle à la vérification de la théorie est la difficulté d’observer de telles « particules de dimension supérieure ». La matière noire fermionique qui se glisse entre cinq dimensions n’est pas exactement quelque chose que l’on peut voir avec un œil attentif. Cependant, il y a encore de l’espoir. Les physiciens modernes ont fait d’énormes progrès dans la construction de détecteurs d’ondes gravitationnelles, qui peuvent être utilisés pour observer les ondulations dans l’espace-temps. De tels instruments pourraient également être capables de détecter des fermions multidimensionnels et de déterminer si leur comportement explique la matière noire.

Les fermions sont les meilleurs candidats pour la matière noire car ils sont matière. Les fermions sont la classe de particules qui englobe tout ce que nous considérons généralement comme ayant une masse : les protons, les neutrons, les électrons et leurs homologues. Et avec la masse vient la gravité. En 2012, des scientifiques du CERN ont annoncé la découverte révolutionnaire selon laquelle la particule du boson de Higgs était réelle, prouvant que la masse résulte des interactions des particules de fermions avec le champ de Higgs. Cette découverte a fourni aux scientifiques plus qu’un simple pas vers une théorie quantique de la gravité : elle a également suggéré la présence d’une cinquième dimension.

Sans entrer dans les détails d’une physique théorique complexe, la confirmation du boson de Higgs a ouvert une boîte de Pandore. Sa découverte était irréfutable, mais elle a également révélé des failles dans le modèle standard de la physique des particules. L’un de ces trous explique certains traits du comportement du champ de Higgs qui, pris au pied de la lettre, semble défier les quatre forces fondamentales et le modèle standard de la physique des particules. De nombreux physiciens ont cherché à rectifier cette disparité. Pour ce faire, il a fallu introduire une cinquième dimension dans le modèle standard : les écologistes proposent que le comportement du champ de Higgs soit en réalité une conséquence de la force faible agissant à travers des dimensions supérieures.

Jusqu’à présent, les dimensions au-delà de nos quatre dimensions connues (trois dimensions de l’espace plus une dimension du temps) n’ont pas été prouvées. Néanmoins, la preuve d’une quatrième dimension spatiale pourrait résoudre de nombreux problèmes de physique en suspens, notamment celui de la matière noire. Par exemple, cela pourrait expliquer pourquoi la gravité est si faible, pourquoi les liaisons gravitationnelles peuvent apparemment défier la vitesse de causalité (c’est-à-dire la vitesse de la lumière) et pourquoi les galaxies spirales ne propulsent pas leurs étoiles dans l’au-delà. De telles révélations pourraient révolutionner notre compréhension de la physique. Nous attendrons donc la prochaine génération de détecteurs d’ondes gravitationnelles pour le découvrir.

Appeler votre article de recherche « Un portail scalaire déformé vers la matière noire fermionique » nécessite des preuves mathématiques sérieuses pour être justifiées. En 2021, l’équipe européenne à l’origine de l’article a présenté une explication solide de la manière dont une cinquième dimension pourrait exister et, plus urgent encore, de la manière dont des particules massives de fermions pourraient potentiellement la traverser. Comme pour une grande partie de la physique théorique, la validation de la preuve nécessiterait certaines des procédures de test les plus avancées jamais conçues – dont certaines n’ont même pas été inventées. En effet, confirmer la théorie exigerait la preuve d’une dimension totalement non confirmée jusqu’alors jamais touchée par la physique expérimentale.

Selon l’article, ce nouveau champ scalaire proposé présenterait un comportement « intéressant » qui, en termes simples, aspire les fermions et les transporte sporadiquement vers des emplacements de cinquième dimension pendant des instants presque instantanés. De tels glissements aléatoires entre les dimensions pourraient expliquer comment des forces gravitationnelles plus importantes sont ressenties par les centres galactiques. L’apparition soudaine d’une particule massive dans un emplacement aléatoire pourrait exercer une force gravitationnelle brève et mineure sur la matière environnante, même si son apparition était extrêmement éphémère. Les auteurs décrivent une telle particule comme un « auteur » de la matière noire, libre des contraintes de la causalité de quatrième dimension (c’est-à-dire la vitesse de la lumière).

Malheureusement, une particule se téléportant à travers l’espace-temps via la cinquième dimension serait extrêmement difficile à détecter. Si la cinquième dimension permet aux particules de traverser les dimensions spatiales sans adhérer aux contraintes de causalité espace-temps, leur apparition et leur disparition soudaines seraient virtuellement fantomatiques. Ainsi, la proposition soulève une énigme presque impossible à confirmer sans les détecteurs de particules les plus sensibles jamais conçus. Nous sommes peut-être dans une ère de physique théorique extrêmement précise, mais les particules à glissement dimensionnel représentent, pour le moment, un grand pas au-delà de nos capacités expérimentales.