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10 étranges particules subatomiques théoriques
La physique des particules est l’un des domaines les plus intéressants de la physique. Bien qu'il existe déjà de nombreuses particules différentes, les chercheurs continuent de postuler de nouvelles particules excitantes. La plupart de ces nouvelles particules sont liées aux recherches sur la matière noire et l’énergie noire, et les physiciens s’efforcent actuellement de les découvrir.
10 trou noir electron
Au début du 20e siècle, Albert Einstein introduisit la physique de pointe sur les trous noirs, sur laquelle s'appuyait sa théorie de la relativité générale. Parmi ses travaux les plus intéressants, citons la théorie de l'électron à trou noir. Les trous noirs peuvent avoir différentes formes et tailles selon leur forme. L'électron de trou noir d'Einstein était un trou noir proposé ayant la même taille et la même masse qu'un électron.
Dans les papiers d'Einstein, il a expliqué à quoi ce petit trou noir ressemblerait. Curieusement, il aurait les mêmes propriétés magnétiques qu’un électron normal. Si quelqu'un observait un électron de trou noir, il ressemblerait à un électron normal. Au-delà, l'électron du trou noir serait relativement stable et resterait de la taille d'un électron tout au long de sa vie.
Les travaux d'Einstein sur l'électron du trou noir ne sont pas devenus une partie intégrante de la physique des particules à son époque, mais les innovations récentes en matière de théorie des cordes le remettent au premier plan. Les théoriciens des cordes modernes ont construit des modèles qui considèrent les particules comme des trous noirs miniatures. Ces modèles aident à résoudre les problèmes de calcul rencontrés en physique normale. Il est donc possible qu'Einstein ne soit pas si loin du compte.
9 photons sombres
La recherche sur la matière noire est l’un des domaines les plus discutés de la physique des particules moderne. Personne ne sait exactement ce qu'est la matière noire et les physiciens proposent constamment de nouveaux candidats pour cette substance insaisissable. En 2008, une équipe de chercheurs a proposé un nouveau type de particule subatomique appelée photon foncé. Cette particule semblerait être un photon normal mais n'interagirait qu'avec la matière noire.
Le photon noir est le porteur de force proposé pour la force électromagnétique entre la matière noire. Au lieu de compter sur le photon normal en tant que porteur de force, les chercheurs ont proposé que le photon noir soit le support de l'interaction. Pour expliquer pourquoi la matière noire est invisible à l'observation, les physiciens ont supposé qu'une autre force fondamentale agit sur la matière noire. Cet «électromagnétisme à l'obscurité» est une force de jauge à longue portée, mais n'est médiée que par le photon noir.
Aussi étrange que cela puisse paraître, les chercheurs en particules avaient des raisons de croire à l’existence de photons sombres. Au début des années 2000, les chercheurs ont mené une expérience appelée g-2. Cette expérience a essayé de mesurer le muon (un autre type de particule subatomique) de spin qui «vacille» lorsqu’il traverse un champ magnétique.
Pendant l'expérience, le vacillement du muon n'a pas abouti à ce que le modèle standard prédit. D'autres expériences ont été menées à des accélérateurs de particules pour voir si les lectures anormales pourraient être le signe de photons sombres. Malheureusement, les résultats ont montré que les photons sombres ne sont pas les coupables. Quelque chose d'autre est.
L'anomalie g-2 n'a pas encore été résolue, mais les chercheurs sont certains que les photons sombres ne sont pas à blâmer. Pourtant, les photons sombres ne sont pas impossibles. Ils peuvent exister dans notre univers.
8 particules de caméléon
Bien que la matière noire soit un énorme mystère en physique, son énergie est encore plus grande. Toutes les mesures et tous les modèles montrent que l’univers est non seulement en expansion, mais qu’il s’accélère de plus en plus. Les physiciens ne savent pas ce qui cause l'accélération et d'innombrables chercheurs proposent diverses explications à «l'énergie noire» qui crée notre univers en expansion. Une des idées les plus intéressantes est la particule de caméléon.
En théorie, la particule de caméléon serait un médiateur d'un cinquième champ de notre univers appelé champ de caméléon. La particule pour ce champ a une variété de propriétés impaires. Les chercheurs proposent que sa masse effective variable varie avec la densité de la région spatiale qu’il habite.
Plus la masse effective est importante, plus la force exercée est grande. Par exemple, dans notre système solaire, la particule de caméléon serait indétectable car la densité élevée de notre système solaire ferait en sorte que la particule exerce une force extrêmement faible. Mais dans l’espace intergalactique, presque vide, la particule de caméléon serait extrêmement forte car la densité est très faible.
Cette proposition explique pourquoi les scientifiques voient une expansion universelle. Cependant, les scientifiques veulent détecter la particule. Mais c'est difficile car les scientifiques sont sur Terre dans une partie dense de l'univers où la force caméléon serait extrêmement faible.
Une équipe de Berkeley a mis au point un appareil expérimental permettant de détecter les particules de caméléon. Bien que le test n’ait pas été concluant, il n’excluait pas l’existence de particules de caméléon. Les scientifiques travaillent donc sur plus d'expériences et d'instruments pour détecter ces particules insaisissables et découvrir la nature de l'énergie noire.
7 neutrinos stériles
Le neutrino stérile est un autre candidat à la matière noire. Les neutrinos normaux sont des particules en interaction extrêmement faible formées dans diverses réactions nucléaires. Les trois types de neutrinos du modèle standard sont bien compris. Leurs interactions sont si faibles que les scientifiques les qualifient de particules fantômes.
Les neutrinos stériles sont différents car ils n'interagissent que par la force de gravitation. Les neutrinos normaux (ou neutrinos actifs) reçoivent la charge de la force faible, mais les neutrinos stériles ne subissent aucune influence des forces subatomiques du modèle standard. Ils sont des fantômes de la particule fantôme.
Les neutrinos stériles sont des candidats possibles pour la matière noire. Ils sont intéressants car ils ne font pas partie du modèle standard de la physique des particules en ajoutant davantage de neutrinos aux trois que les scientifiques connaissent déjà.S'ils étaient découverts, les neutrinos stériles obligeraient les scientifiques à réorganiser certaines parties du modèle standard. En ce qui concerne la matière noire, les physiciens s'interrogent toujours sur le point de savoir si ces particules fantomatiques sont un bon candidat.
Mais des découvertes récentes ont fourni la preuve que des neutrinos stériles pourraient exister. Le problème est que les neutrinos stériles sont extrêmement difficiles à détecter car ils interagissent à peine avec d'autres formes de matière. Les scientifiques ont du mal à détecter leurs cousins actifs, encore moins les versions stériles.
En 2014, les astronomes ont détecté des raies d'émission de rayons X impairs provenant d'une galaxie proche qui cadraient avec la théorie des neutrinos stériles. En utilisant ces données, l'astrophysicien Kevork Abazajian a montré que le modèle du neutrino stérile pouvait expliquer la structure d'autres galaxies proches. Cette découverte est la meilleure preuve actuelle de neutrinos stériles car les détecteurs souterrains de neutrinos actifs n'ont pas eu la chance de récupérer les signatures de cette particule fantomatique.
6 Axion
Parmi tous les candidats proposés par les scientifiques pour la matière noire froide, l’axion suscite le plus de publicité et d’intérêt. L'axion a d'abord été proposé pour résoudre un problème épineux impliquant une force nucléaire puissante.
Dans le modèle mathématique standard, les physiciens des particules incluent certaines variables d’entrée pour faciliter le calcul. Cependant, une variable a une valeur proche de zéro, ce qui la rend inobservable. Lorsque les physiciens ont inséré cette valeur dans leurs équations, cela a montré qu'un des quarks fondamentaux serait sans masse.
L'observation des quarks contredisant ce modèle, les scientifiques ont donc proposé un nouveau champ et une nouvelle particule pour remédier à la situation. Cette particule est l'axion. Il a une masse extrêmement faible, proche du milliardième de la masse d'un électron.
De plus, les axions n'interagissent que faiblement avec d'autres matières, mais ont des interactions étranges et spéciales avec la force nucléaire puissante. En théorie, ces particules sont complètement transparentes à la lumière et n'interagissent pas avec la matière selon le modèle standard.
Tout cela fait de l'axion un candidat clé pour la matière noire. L'autre théorie dominante est le modèle WIMP (particule massive à interaction faible), qui propose de nouvelles particules beaucoup plus lourdes que le proton et le neutron. Les modèles Axion ont un avantage sur les WIMP en ce sens qu’ils font déjà partie de la théorie quantique.
Les théories cosmologiques affirment que les axions pourraient constituer 85% de la matière noire de notre univers. Le reste serait d'autres particules. Les scientifiques mènent des expériences pour trouver ces particules invisibles, mais la recherche n’est pas facile.
5 Dilaton
Le dilaton est une particule étrange proposée par la théorie des cordes. Lorsque les théoriciens des cordes travaillent avec les théories de la compactification de Kaluza-Klein, le dilaton est une particule qui doit exister. Mais cela fait fluctuer les constantes fondamentales de la nature.
Au lieu que notre univers ait des constantes comme la constante de Newton ou la constante de Planck, le dilaton aurait permis à ces nombres de fluctuer au cours de l'univers primitif. Après cela, le dilaton aurait gelé en valeur, ce qui a également provoqué le gel des valeurs des constantes fondamentales.
Les dilatations peuvent paraître étranges, mais elles sont essentielles à la compréhension de la cosmologie de la théorie des cordes. La théorie des cordes repose sur les théories de Kaluza-Klein et il n'y a aucun moyen d'ignorer la dilaton de ces théories. En fait, les physiciens pensent que le dilaton est un scalaire fondamental dans notre univers, ce qui signifie qu'il est impossible de l'ignorer s'il existe.
Cependant, des expériences pour détecter le dilaton seraient extrêmement difficiles à mener. Mais ses propriétés correspondent parfaitement aux propriétés de l'énergie noire. Donc, si la théorie des cordes est correcte, le dilaton pourrait résoudre le mystère persistant de l'énergie noire.
4 gonflage
L'un des plus grands mystères de la cosmologie du big bang est la période inflationniste de l'univers. En une fraction de seconde après le début du big bang, l'univers a connu une croissance exponentielle. Cette croissance rapide a fini par se réduire au taux d'expansion observé aujourd'hui.
Cette période d'inflation a permis aux scientifiques d'observer le rayonnement cosmique de fond cosmique et d'autres caractéristiques intéressantes de l'univers. Cependant, personne ne sait pourquoi l'univers a connu une expansion inflationniste ou pourquoi il s'est arrêté.
L'inflaton est un champ proposé qui expliquerait pourquoi l'univers s'est développé comme il l'a fait. Comme dans tous les champs, l'inflaton est associée à une particule (également appelée l'inflaton).
L'inflaton a fonctionné en quelques étapes simples. Au début de l'univers, il était dans un état de haute énergie et connaissait des fluctuations quantiques aléatoires comme prévu dans l'univers super-infantile. Finalement, l'inflaton s'installa dans un état de basse énergie, ce qui déclencha une force répulsive massive qui lui permit de retourner à son état de haute énergie. Étrangement, l'inflaton n'exerce pas cette force de répulsion lorsqu'il a une énergie élevée.
Les théories Inflaton peuvent sembler élégantes, mais elles font encore l’objet de vives discussions parmi les physiciens, car le modèle inflationniste n’a pas été accepté par tous les scientifiques. Cependant, de nouvelles théories sur l'univers primitif montrent que le champ inflaton est un bon candidat pour décrire à quoi notre univers ressemblait. Certains chercheurs pensent que le boson de Higgs, récemment découvert, est la particule d’inflaton recherchée. Peut-être que ces deux particules sont la même chose.
3 particules de Bateman
Proposée par une équipe dirigée par James Bateman, cette particule sans nom est un autre candidat pour une particule de matière noire super légère. La particule de Bateman est beaucoup plus lourde que l'axion mais ne représente toujours qu'une fraction de la masse d'un électron. Comme les autres candidats à la matière noire, la nouvelle particule serait complètement invisible car elle n'interagirait pas avec la lumière.Cependant, cela interagirait avec la matière normale, expliquant certaines des anomalies autour de la matière noire.
Une caractéristique intéressante de cette nouvelle particule est que son interaction avec la matière normale n’est efficace que sur de longues distances ou dans des champs gravitationnels puissants. Ainsi, la nouvelle particule serait totalement non affectée par la Terre.
Bateman pense que sa particule serait capable de voyager à travers la Terre et son atmosphère sans se cogner contre d’autres particules ou d’être détectable du fait de sa masse si petite. Des millions de particules de Bateman pourraient vous traverser en ce moment. Si la particule est réelle, cela montrerait que la matière noire imprègne l’espace beaucoup plus qu’on ne le pensait auparavant.
Cependant, cette particule non nommée interagit si faiblement qu'il est extrêmement difficile de concevoir une expérience capable de la détecter. À l'heure actuelle, le verdict est encore prononcé sur l'existence de la particule Bateman. Tant qu'il n'y aura pas de meilleures expériences, la particule Bateman restera simplement une possibilité intéressante.
2 particules de Planck
Valeur clé de la mécanique quantique, la longueur d'onde de Compton est une caractéristique d'une particule qui dépend de sa masse et montre sa relation avec l'énergie des photons. Si la longueur d'onde d'une particule de Compton est égale à son rayon de Schwarzschild, il s'agit d'une particule de Planck.
Le rayon de Schwarzschild indique jusqu'à quel point vous pouvez compresser un objet avant que la gravité ne submerge les autres forces physiques de l'univers et ne crée un trou noir. À cette taille, la vitesse de sortie de la surface de l'objet serait supérieure à la vitesse de la lumière, caractéristique d'un trou noir. Ainsi, les particules de Planck sont si compactes qu'elles se sont transformées en trous noirs.
Les particules de Planck ont des caractéristiques égales aux constantes de Planck pour la masse et la taille. Une particule de cette nature pèserait autant que la masse de Planck (10 fois la masse du proton) et serait extrêmement petite (10 fois le diamètre du proton). Cela rend la particule de Planck extrêmement dense.
Ces particules étranges intéressent les physiciens. Au début, ils venaient tout juste d’être introduits dans les équations afin de déterminer les dimensions du résultat. Maintenant, ils sont intéressants, car ils peuvent être la clé pour faire fonctionner ensemble la mécanique quantique et la relativité générale.
Les cosmologues s'intéressent également aux particules de Planck car elles pourraient avoir existé en grande quantité dans l'univers primitif. En incluant la particule de Planck dans des modèles cosmologiques, les chercheurs ont pu déterminer que la désintégration précoce des particules de Planck pouvait avoir pour résultat les propriétés observées des particules à notre époque de l'univers.
1 masse négative
La plupart des gens connaissent l’idée d’une antiparticule, qui a la charge opposée à celle de son compagnon normal. Par exemple, un électron a une charge -1 et son antiparticule, le positron, a une charge +1. Les physiciens théoriciens ont étendu cette idée à la masse et ont postulé un nouvel ensemble de particules qui ont la masse opposée de nos particules normales.
C'est un concept assez étrange. Si vous aviez une masse de 1 kilogramme, la même quantité de matière négative serait de -1 kilogramme. Les antiparticules ont des masses positives mais des charges opposées. La matière négative est dans une catégorie à part. Si la matière négative existait, cela aiderait à résoudre certains des problèmes les plus intéressants de la physique. Par exemple, cela conduirait à unifier la relativité générale et la mécanique quantique.
Les physiciens étudient la matière négative car elle permettrait aux humains de découvrir des moyens de parcourir l'univers. La relativité générale affirme que la matière négative repousserait toute autre matière, tant négative que positive. Ainsi, si la matière négative pouvait être exploitée, cela permettrait aux humains d’étendre l’espace-temps et éventuellement d’ouvrir des trous de ver par lesquels les navires pourraient voyager.
Les chercheurs effectuent également des recherches de masse négatives, car elles peuvent nous aider à comprendre la flèche du temps et certains des concepts les plus confus sur les trous noirs. La matière négative pourrait également être utilisée pour créer un plasma capable d'absorber les ondes de gravité. La création de matière négative n’est malheureusement pas chose faite, mais il est clair que ces nouvelles particules subatomiques pourraient révolutionner la science et les voyages dans l’espace.