Un détecteur de matière noire aurait-il découvert des particules d’énergie noire ?

L’énergie et la matière noire sont deux énigmes du modèle cosmologique standard dont nous ne connaissons pas encore la nature, en supposant qu’elles existent bien. Des particules appartenant à une classe particulière de théories associées à une possible cinquième force dans le cosmos observable et pouvant rendre compte de l’énergie noire, les particules caméléons, pointent peut-être le bout de leur nez depuis quelque temps dans une expérience destinée initialement à découvrir des particules de matière noire.

Le modèle cosmologique standard est remarquablement couronné de succès car on peut en déduire bien des observations concernant les galaxies, les grandes structures qui le composent, les caractéristiques de la plus vieille lumière de l’Univers ainsi que celles de la matière fossile laissée par le Big Bang et sa nucléosynthèse primordiale. Toutefois, il suppose que l’essentiel de la masse contenue dans un grand volume partout dans le cosmos observable est constitué d’abord de ce que nous appelons l’énergie noire à environ 70 % et à environ 5 % seulement de protons et de neutrons, le reste semble être sous la forme de particules très peu sensibles aux forces électromagnétiques et qui se comportent donc comme de la matière dite noire.

Cette dernière ne peut être composée des particules de matière que nous connaissons dans les laboratoires terrestres.

Mais comme elle devrait représenter environ 25 % de la densité de masse dans le cosmos, nous devrions être traversés par ces particules de matière noire de sorte qu’en s’enfonçant profondément sous terre pour échapper au bruit de fond du rayonnement classique constitué de particules bien connues, des détecteurs spécifiquement conçus pourraient peut-être détecter ces particules de matière noire que l’on imagine très pénétrantes, justement parce qu’elles sont très peu sensibles non seulement aux forces électromagnétiques mais aussi aux forces nucléaires.

Un excès de collisions de particules avec les atomes de xénon
L’un de ces détecteurs s’appelle Xenon 1T et il et se trouve au laboratoire souterrain du Gran Sasso, en Italie. C’est la version améliorée de l’expérience Xenon 100. Elle est bien plus sensible théoriquement au flux de Wimps (pour Weakly Interacting Massive Particles), une classe hypothétique de particules de matière supposées un temps prometteuses mais dont la chasse s’est révélée décevante. Comme son nom le laisse deviner, le détecteur Xenon 1T est rempli de 3,2 tonnes de xénon liquéfié ultra-pur. Les atomes de ce gaz rare peuvent générer des grains de lumière et des électrons en entrant en interaction avec des particules, des signaux que peut mettre en évidence le détecteur en son sein et qui indiquent les occurrences de ces événements dans le jargon des physiciens des hautes énergies.

Comme on l’a sous-entendu implicitement plus haut, les particules de matière noire ne sont pas les seules à pouvoir produire ces événements. C’est pourquoi les physiciens se sont enterrés sous la montagne du Gran Sasso pour que celui-ci fasse un important barrage aux rayons cosmiques constitués de particules connues, et ils pensent avoir évalué correctement le léger bruit de fond des désintégrations radioactives des atomes dans la paroi rocheuse entourant le détecteur, tout aussi bien que celles dans le détecteur lui-même.

Au bout d’une campagne d’observations menée il y a quelques années, un surprenant excès événements par rapport à ceux attendus a été observé. Cet excès pourrait bien sûr être dû à une mauvaise modélisation du contenu en atomes radioactifs du détecteur et de son environnement, en l’occurrence quelques noyaux d’un isotope radioactif de l’hydrogène, le tritium. À ce stade de l’accumulation de la statistique, nous n’en avons pas assez pour écarter cette hypothèse.

Mais si les physiciens ont bien fait leur travail d’isolation du détecteur et d’évaluation du bruit de fond le traversant, alors nous serions bel et bien devant les premières manifestations de l’existence d’une nouvelle physique, qu’il reste tout de même à confirmer avant de parler d’une découverte.

Une nouvelle physique avec des axions ?
De prime abord, on pouvait penser que les événements détectés pouvaient correspondre à une classe de particules très légères et peu interagissantes, considérées comme parmi les meilleures candidates au titre de particules de matière noire et que l’on appelle des axions. Décrire en détail la théorie les concernant nous emmènerait trop loin. Mais on peut se reporter aux explications de la vidéo ci-dessus.

Quelques informations tout de même. La théorie nous dit que le Soleil et les étoiles devraient produire une quantité importante d’axions, qui sont des particules associées à un champ scalaire cousin de celui du fameux boson de Brout-Englert-Higgs. Les axions devraient pouvoir se comporter selon une variante de ce que l’on appelle l’effet Primakoff – c’est-à-dire que dans un champ magnétique, des photons devraient pouvoir se convertir en axions et inversement.

Nous n’avons pas vraiment de moyen de prédire la masse et l’intensité du couplage des axions au champ électromagnétique. Ce sont des paramètres libres que l’on peut tenter de déterminer en calculant les conséquences pour des valeurs données. Il se trouve que si on cherche vraiment à interpréter les résultats de Xenon 1T avec l’hypothèse des axions, cela conduit à des valeurs que l’étude des étoiles réfute. En effet, les axions emportent de l’énergie de sorte qu’un important flux de ces particules va modifier leur évolution, comme par exemple leur vitesse de refroidissement. Le comportement observé des étoiles n’est pas compatible avec certaines valeurs possibles des paramètres décrivant les axions.

Mais dans un article qu’une équipe de physiciens vient de publier dans la célèbre revue Physical Review D et que l’on peut trouver en accès libre sur arXiv, les résultats de Xenon 1T sont ré-interprétables dans un sens quelque peu inattendu. Ils soutiennent modérément, l’hypothèse de l’existence de particules en mesure d’expliquer la nature de l’énergie noire et que l’on appelle des particules caméléons.

Des particules caméléons mimant les axions ?
L’un des auteurs de l’article en question n’est autre que Philippe Brax qui a beaucoup travaillé sur la théorie des particules caméléons et à qui Futura est redevable de deux dossiers portant sur la cosmologie et les théories sur l’énergie noire. Futura a aussi consacré plusieurs articles à la théorie des particules caméléons dont ceux, ci-dessous, auxquels nous vous renvoyons pour des explications détaillées sur ces particules exotiques encore hypothétiques. En compagnie de ses collègues Anne-Christine Davis, Sunny Vagnozzi, Luca Visinelli, et Jeremy Sakstein, le physicien français s’est rendu compte qu’une variante possible de la théorie des particules caméléons, également associée à un champ scalaire, pouvait se comporter comme des axions et avec l’effet Primakoff.

Toutefois, on sait que les masses des particules caméléons varient en fonction de la densité du milieu dans lequel elles se trouvent de sorte que l’on peut échapper aux contraintes sur les étoiles, tout en montrant qu’un important flux de ces particules peut être engendré dans une région du Soleil où règne un fort champ magnétique : la tachocline.

C’est une zone de transition entre les régions internes du Soleil dominées par le transfert radiatif de la chaleur et les régions externes dominées par la convection. Elle est située à une distance du centre du Soleil d’environ 0,7 fois son rayon. On pense que cette zone est cruciale pour la génération du champ magnétique de surface du Soleil par effet dynamo.

Toujours est-il que même si un modèle de particules caméléons peut bel et bien rendre compte des observations de Xenon 1T, les résultats n’en sont encore qu’à 2 sigma dans le jargon des scientifiques et c’est encore bien loin d’une découverte. On en saura peut-être plus avec de nouvelles expériences similaires mais plus sensibles dans un avenir proche telles que XENONnT, PandaX-4T et LUX-ZEPLIN selon les chercheurs.

Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/theorie-relativite-generale-detecteur-matiere-noire-aurait-il-decouvert-particules-energie-noire-18277/

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