Dans la chasse à la matière noire, les axions sont-ils notre meilleur pari ? › Actualités Geek

Une image composite du Bullet Cluster, une paire d’amas de galaxies très étudiée qui se sont heurtés de front. L’un a traversé l’autre, comme une balle voyageant à travers une pomme, et on pense qu’il montre des signes clairs de matière noire (bleue) séparée des gaz chauds (rose). (Crédit image : X-ray : NASA/ CXC/ CfA/ M.Markevitch, Carte optique et de lentille : NASA/STScI, Magellan/ U.Arizona/ D.Clowe, Carte de lentille : ESO/WFI)

Les scientifiques qui enquêtent sur la véritable identité de la matière noire trouvent de nouvelles preuves à l’appui d’un candidat majeur : les axions.

Depuis que son existence a été déduite pour la première fois en 1933, la matière noire est restée une « baleine blanche » insaisissable pour les scientifiques du monde entier. Alors qu’on pense qu’elle comprend environ 85% de toute la matière de l’univers, ce qu’est réellement la matière invisible reste un mystère.

Mais certains chercheurs pensent que la matière noire pourrait en fait être une particule étrange appelée axion.

En relation: Les 11 plus grandes questions sur la matière noire

Qu’est-ce qu’un axion ?

L’axion est une particule élémentaire hypothétique qui a à la fois une faible masse et une faible énergie. Il a été proposé pour la première fois en tant que particule hypothétique en 1977 comme solution à ce qu’on appelle le « problème CP fort » en physique des particules. Le problème CP fort est une question non résolue de longue date qui demande pourquoi la symétrie CP (symétrie de conjugaison (C) et symétrie de parité (P)) est préservée en chromodynamique quantique (la théorie de l’interaction forte entre les particules élémentaires quarks et gluons).

Dans la symétrie CP, les lois de la physique devraient être les mêmes si une particule est échangée avec son antiparticule et qu’elle est inversée ou en miroir. En chromodynamique quantique, une violation de la symétrie CP pourrait se produire dans les interactions fortes. Cependant, aucune infraction n’a jamais été constatée.

« Il y a cette symétrie CP que nous connaissons, qui distingue les particules des antiparticules. Nous savons qu’il est violé dans les interactions faibles. C’était un casse-tête pourquoi il n’a pas été violé dans les interactions fortes », a déclaré à Space.com John Ellis, physicien des particules au CERN (siège du Large Hadron Collider, ou LHC), qui a étudié les axions depuis leur première proposition.

En 1977, une extension du modèle standard a été proposée dans laquelle il serait logique que les interactions fortes ne violent pas cette symétrie, a déclaré Ellis « Et cette théorie a prédit l’existence de l’axion », a-t-il ajouté.

En 2020, une équipe de physiciens a trouvé la première preuve directe d’axions, faisant avancer la légitimité de la particule ainsi que l’intérêt de la communauté scientifique pour la particule. Cela a continué à faire avancer les affirmations selon lesquelles l’axion pourrait être le meilleur candidat pour la matière noire.

« La matière noire est la majeure partie de la matière de l’univers, et nous n’avons aucune idée de ce que c’est. L’une des questions les plus en suspens dans toute la science est: « Qu’est-ce que la matière noire? » », a déclaré Benjamin Safdi, professeur adjoint de physique à l’Université de Californie à Berkeley et auteur principal d’une nouvelle étude portant sur les axions, dans un communiqué.

« Nous soupçonnons qu’il s’agit d’une nouvelle particule dont nous ignorons l’existence, et l’axion pourrait être cette particule. Il pourrait être créé en abondance dans le Big Bang et flotter là-bas expliquant les observations qui ont été faites en astrophysique », a ajouté Safdi.

Les « poils » de la matière noire. Certains chercheurs pensent que la matière noire est distribuée dans tout l’univers selon ce modèle « en forme de filet ». (Crédit image : NASA/JPL-Caltech)

Lâcher prise sur les WIMP

Dans deux nouvelles revues publiées dans la revue Science Advances le 23 février, les chercheurs décrivent comment l’axion est devenu l’un des principaux candidats à la matière noire et comment les physiciens pourraient continuer à étudier la particule et peut-être expliquer le mystère de la matière noire.

Jusqu’à présent, un candidat particulier à la matière noire était en tête du peloton : les WIMP, qui signifient des particules massives à faible interaction. Les WIMP sont un terme générique qui décrit des particules hypothétiques qui n’interagissent que très faiblement avec la matière par le biais de la force nucléaire faible. Les WIMP devraient être 1 à 1 000 fois plus lourds que les protons.

Cependant, malgré leur statut de candidat de premier plan, « au cours des dernières années, les WIMP ne sont pas apparus au LHC, ils ne sont pas apparus dans les recherches directes de matière noire », a déclaré Ellis.

Ainsi, avec les WIMP perdant leur lustre en tant que candidats, « nous avons pensé [this] serait un bon moment pour capturer d’une manière ou d’une autre ce changement d’orientation », a déclaré Ellis à propos de cette enquête sur les axions.

Ellis a ajouté: « Je tiens toujours un feu pour les WIMP. » Mais « je pense qu’il est certainement raisonnable de se protéger un peu et de penser aux autres candidats. Donc, je dois avouer que je continue à jouer sur le terrain », a déclaré Ellis.

Attraper l’axion

Ainsi, avec les WIMP tombant du plomb, les chercheurs ont exploré quelles mesures pourraient être prises pour confirmer l’existence de l’axion et explorer plus avant s’il pouvait ou non s’agir de matière noire. Selon les critiques, l’équipe suggère qu’ils pourraient enfin « attraper » l’axion et confirmer son existence en prédisant sa masse.

Dans les deux nouvelles revues, les chercheurs suggèrent un certain nombre d’approches différentes que les physiciens pourraient adopter à la fois pour prédire la masse de l’axiome et pour l’étudier en tant que candidat à la matière noire. Ces approches incluent l’utilisation d’haloscopes, des instruments qui « analysent les signaux photoniques micro-ondes des axions de notre halo galactique », selon l’article. (Un halo galactique est une grande région sphérique de l’espace autour d’une galaxie qui s’étend au-delà de la matière visible.)

Les scientifiques s’attendent à ce que les axions se transforment en une onde électromagnétique dans une cavité à micro-ondes lors d’une expérience comme celle-ci, bien que ce soit très rare. Et ainsi, ils seraient capables de détecter cette onde.

Mais les chercheurs suggèrent un certain nombre d’autres méthodes que les physiciens utilisent actuellement et pourraient potentiellement utiliser pour chasser les axions. Il s’agit notamment d’utiliser des télescopes terrestres, d’utiliser le télescope de recherche d’axions (CST) du CERN pour détecter les axions produits dans le noyau du soleil, ou même de repérer des axions dans la magnétosphère des étoiles à neutrons où on pense qu’ils se convertissent en photons et laissent derrière eux des caractéristiques spectrales distinctes. Ce sont parmi les nombreuses suggestions différentes que font les deux revues.

recherche de masse

Alors que les chercheurs des deux revues explorent la technologie de pointe qui pourrait permettre aux scientifiques de détecter les axions, l’une des techniques de chasse aux axions les plus populaires à ce jour consiste à essayer de détecter les ondes électromagnétiques dans une cavité micro-ondes.

Mais, dans la deuxième nouvelle étude, publiée le 25 février dans la revue Nature Communications, les chercheurs ont utilisé l’un des plus grands superordinateurs du monde au National Research Scientific Computing Center (NERSC) de Berkeley Lab pour simuler le moment où les axions auraient été créés presque immédiatement après le Big Claquer.

Dans leur simulation, l’équipe a pu prendre en compte la masse totale de matière noire dans l’univers et le nombre total d’axions produits. Cela leur a permis d’estimer ce que pourrait être la masse de l’axion.

Ils ont découvert que la masse de l’axion serait plus de deux fois supérieure à ce que les théoriciens avaient prévu : 40 à 180 microélectron volts (environ l’équivalent d’un 10 milliardième de la masse d’un électron, selon un communiqué).

« Notre travail fournit l’estimation la plus précise à ce jour de la masse de l’axion et indique une gamme spécifique de masses qui n’est pas actuellement explorée en laboratoire », a déclaré Safdi.

L’équipe a également découvert que les axions pouvaient produire une onde électromagnétique à une fréquence plus élevée que prévu, une fréquence qui est généralement en dehors de la plage des expériences conçues pour détecter les ondes électromagnétiques des axions.

« Avec ces expériences sur les axions, ils ne savent pas sur quelle station ils sont censés se régler, ils doivent donc parcourir de nombreuses possibilités différentes », a déclaré Safdi à propos des expériences de recherche des ondes laissées par les axions.

Avec leur simulation, les chercheurs ont montré que les axions de l’univers primitif auraient pu agir comme « des cavaliers se sont opposés à un bronco », selon le communiqué.

« Vous pouvez penser à ces cordes comme composées d’axions étreignant les tourbillons tandis que ces cordes tournent en formant des boucles, se connectant, subissant de nombreux processus dynamiques violents pendant l’expansion de notre univers, et les axions étreignant les côtés de ces cordes essaient de attendez pour le trajet », a déclaré Safdi. «Mais quand quelque chose de trop violent se produit, ils sont simplement jetés et s’éloignent de ces cordes. Et ces axions qui sont éjectés des cordes finissent par devenir la matière noire bien plus tard.

L’équipe n’a pas résolu le problème de la matière noire ou le dilemme de l’axion, mais à mesure que de plus en plus de chercheurs continuent d’avancer avec ce type d’expérimentation, cela rapproche la science dans son ensemble pour mieux comprendre ce que pourraient être exactement ces particules hypothétiques et, finalement, ce qui est matière noire.

Envoyez un e-mail à Chelsea Gohd à cgohd@ ou suivez-la sur Twitter @chelsea_gohd. Suivez-nous sur Twitter @Spacedotcom et sur Facebook.