Une particule « fantôme » d’une puissance incroyable, récemment détectée sur Terre, pourrait provenir d’un type rare de trou noir explosif, selon les chercheurs. Si cette théorie se confirme, elle pourrait bouleverser notre compréhension de la physique des particules et de la matière noire. Toutefois, il s’agit seulement d’une hypothèse pour l’instant, sans preuve directe établissant que cela soit effectivement le cas.
Début 2023, des chercheurs du télescope KM3NeT, une impressionnante série de capteurs installée au fond de la mer Méditerranée, ont observé un neutrino, une particule éthérée presque sans masse qui n’interagit que très peu avec la matière.
Ce neutrino était particulièrement remarquable en raison de son intensité exceptionnelle. Il a frappé notre planète avec une énergie estimée à 220 quadrillions d’électronvolts, soit au moins 100 fois plus puissant que tout autre neutrino détecté à ce jour et environ 100 000 fois plus que ce qui a été observé dans les accélérateurs de particules comme le Grand Collisionneur de Hadrons du CERN.
Explication de l’impossible
Les chercheurs étaient dans un premier temps perplexes quant à l’origine de ce neutrino « impossible ». Ils ont envisagé qu’il puisse résulter d’une interaction avec un rayon cosmique ayant pénétré l’atmosphère terrestre, déclenchant une cascade de particules à haute énergie. Cependant, sa puissance inédite a conduit les experts à penser qu’il devait provenir d’un événement cosmique d’une intensité exceptionnelle, encore mal compris.
Dans ce nouvel article accepté pour publication dans la revue Physical Review Letters, une équipe de recherche affirme avoir enfin identifié la source de ce neutrino : un trou noir primordial (PBH) en phase d’explosion.
Les PBHs sont une classe hypothétique de trous noirs, extrêmement petits — mesurant potentiellement de la taille d’un atome à celle d’une tête d’épingle — et pourraient remonter aux premiers instants après le Big Bang. Ce concept a été popularisé par le fameux physicien britannique Stephen Hawking dans les années 1970, qui a évoqué la possibilité que ces petites singularités émettent de grandes quantités de particules énergétiques, appelées radiation de Hawking, durant leur lente évaporation.
Andrea Thamm, co-auteur de l’étude et physicien théorique à l’Université du Massachusetts Amherst, a déclaré : « Plus un trou noir est léger, plus il devrait être chaud et plus il émettra de particules. À mesure que les PBHs s’évaporent, ils deviennent de plus en plus légers et donc plus chauds, émettant encore plus de radiation jusqu’à l’explosion. »
Un mystère majeur concernant ce neutrino réside dans le fait qu’il n’a pas été observé par d’autres détecteurs de neutrinos à travers le monde, comme l’IceCube situé sous la glace de l’Antarctique. Étant donné que les PBHs sont supposés être assez communs dans l’univers, on pourrait raisonnablement s’attendre à ce que des particules tout aussi puissantes aient été détectées avant ou après cette possible découverte.
Les chercheurs avancent que la raison pour laquelle ce neutrino n’a pas été détecté ailleurs pourrait être sa source, un type spécial de PBH, appelé PBH quasi-extrême, qui possède une « charge noire » — une version de la force électrique classique avec une version très massive de l’électron, réputée être un « électron noir ».
Les propriétés obscures de ce type théorique de PBH rendent moins probable la détection de leurs explosions. Ils ont également suggéré que certains neutrinos moins puissants détectés à ce jour pourraient être des détections partielles de ces événements.
« Un PBH avec une charge noire a des propriétés uniques et se comporte de manière différente des modèles de PBH plus simples », a ajouté Thamm. « Nous avons montré que cela peut expliquer toutes les données expérimentales apparemment incohérentes. »
Révolutionner notre compréhension cosmique
Bien que cette nouvelle recherche suggère l’existence de PBHs quasi-extrêmes, elle ne les confirme pas ni ne prouve qu’ils explosent. (Les PBHs réguliers n’ont jamais été observés directement non plus, bien qu’il existe un consensus fort sur leur existence.)
Cependant, l’équipe est persuadée qu’il ne faudra pas longtemps pour prouver que ces explosions sombres sont réelles. Le même groupe de recherche a récemment prédit qu’il y a 90% de chances que nous assistions à la première explosion d’un PBH quasi-extrême d’ici 2035, ce qui susciterait un grand intérêt pour deux raisons principales.
Premièrement, ces explosions seraient si puissantes qu’elles pourraient émettre un « catalogue définitif de toutes les particules subatomiques existantes », y compris des entités connues, comme le boson de Higgs; des particules théorisées, comme les gravillons ou les tachyons voyageurs dans le temps; et « tout le reste qui est, jusqu’à présent, entièrement inconnu de la science », selon l’équipe de recherche.
Deuxièmement, ces trous noirs pourraient aider à révéler l’identité mystérieuse de la matière noire — la substance invisible que nous ne pouvons pas percevoir, mais dont la force gravitationnelle se fait sentir dans presque toutes les galaxies observées, y compris notre Voie lactée. Les chercheurs estiment que les PBHs quasi-extrêmes « pourraient constituer toute la matière noire observée dans l’univers », donc en trouver un pourrait aider à mettre un terme à cette énigme.
Les chercheurs, ainsi que d’autres équipes dans les domaines de la physique et de la cosmologie, attendent désormais avec impatience la détection de la première explosion de ce type.
Un tel événement « incroyable » offrirait une « nouvelle fenêtre sur l’univers » et nous aiderait à « expliquer ce phénomène autrement inexplicable », a déclaré Michael Baker, auteur principal de l’étude et physicien théorique à l’UMass Amherst.
Points à retenir
- Une particule détectée sur Terre pourrait provenir d’un trou noir primordial explosif.
- Ce neutrino a frappé l’atmosphère terrestre avec une énergie exceptionnelle, bien supérieure à celles observées auparavant.
- Les trous noirs primordiaux sont des entités hypothétiques dont l’étude pourrait transformer notre compréhension de l’univers.
- Les chercheurs misent sur une explosion de trous noirs quasi-extrêmes d’ici 2035 pour valider leurs hypothèses.
- Une telle explosion pourrait révéler de nouvelles particules et éclaircir la nature de la matière noire.
Cette discussion sur les trous noirs et les neutrinos me passionne infiniment. Elle nous rappelle à quel point l’univers peut être mystérieux, fascinant et, en même temps, source d’interrogations sans fin. Imaginez un instant que nous découvrions de nouvelles formes de matière et des particules encore inconnues. Voilà qui pourrait non seulement enrichir notre savoir, mais aussi radicalement transformer notre vision du cosmos et de notre place dans celui-ci. Il est passionnant de penser que nous somme à l’aube de découvertes qui pourraient redéfinir la science telle que nous la connaissons aujourd’hui.