À la découverte de la matière noire

Écrit par Mark Miller.

Les scientifiques pensent que la matière noire représente plus d’un quart de l’univers. Mais comme elle est composée d’une substance qui n’absorbe pas, ne reflète pas ou n’émet pas de lumière, la matière noire est extrêmement difficile à identifier. En réalité, le Modèle standard, la meilleure théorie de la science sur les éléments constitutifs de l’univers et la manière dont ils interagissent, est mystérieusement silencieux sur le sujet.

Les conclusions de deux expériences, cependant, pourraient jeter un nouvel éclairage : l’une en défiant les prédictions du Modèle standard et l’autre en découvrant de potentielles particules de matière noire lorsqu’elles entrent en collision avec des atomes normaux.

Les muons oscillants

L’expérience Muon g-2 conduite au Fermi National Accelerator Laboratory, ou Fermilab, a trouvé une preuve supplémentaire que le comportement des particules subatomiques appelées muons n’obéirait peut-être pas aux prédictions du Modèle standard.

Un muon ressemble à un électron, mais environ 200 fois plus massif. Tout comme un électron, un muon agit comme s’il avait un aimant interne. Lorsqu’il traverse un champ magnétique, le muon tourne et oscille comme l’axe d’une toupie.

Dans l’expérience Muon g-2, les muons tournent sans cesse autour d’un anneau de 15 mètres de large ; une sorte de piste magnétique. Lorsqu’ils traversent le champ magnétique, leurs oscillations peuvent être mesurées de manière précise. Ces résultats sont comparés aux valeurs prédites. L’expérience a confirmé un écart-type de 4,2 par rapport aux prédictions du Modèle standard. Cette différence pourrait signifier que le muon interagit avec des particules ou une autre énergie non connue actuellement par la science ; une découverte qui pourrait ouvrir une plus grande fenêtre sur les mystères cosmiques comme la matière noire.

La découverte par la déflexion

Au Laboratoire national du Gran Sasso en Italie, l’expérience XENONnT cherche des particules sombres en détectant les signaux lumineux qu’elles peuvent créer lorsqu’elles sont déviées par des atomes de xénon.

L’expérience utilise plus de huit tonnes de xénon contenu dans un liquide. Si une particule sombre croise le xénon, elle libère un électron. Ce phénomène crée un signal lumineux qui peut être détecté par une série de photomultiplicateurs recouvrant la cuve de liquide. Les instruments peuvent détecter le moindre photon libéré par une déflexion de particule sombre.

Les chercheurs utilisent la déflexion de particules pour chercher des particules massives interagissant faiblement, aussi appelées WIMP. Malheureusement, aucune n’a été découverte pour le moment, mais l’élimination des candidats aux particules sombres pourrait s’avérer aussi profitable que leur véritable découverte.

“On commençe à se gratter la tête et à penser que ce n’était peut-être pas le cheval sur lequel parier,” affirme le physicien Rafael Lang dans Scientific American à propos de la recherche des WIMP. Mais il demeure optimiste. “Si vous croyiez aux WIMP il y a 10 ans, seule la moitié d’entre elles a été écartée. La seconde moitié est toujours en vie.” (1)

Autres possibilités

Les WIMP et les forces causant les oscillations des muons sont juste deux possibilités de particules sombres. Selon Scientific American, les autres incluent une particule théorique appelée axion. La matière noire pourrait aussi être constituée de particules composites. Une autre possibilité est qu’elle ne serait pas du tout constituée de particules, mais composée de trous noirs. Quelles que soient les réponses, Muon g-2, XENONnT et des expériences similaires continueront à contribuer à la recherche de matière mystérieuse.

Mark Miller est rédacteur de contenu pour Thermo Fisher Scientific.

Références

1. Moskowitz, C. (2021, April 1). Dark Matter’s Last Stand. Scientific American. https://www.scientificamerican.com/article/dark-matters-last-stand

Ce contenu a été inspiré en partie par “Dark matter,” CERN, “Long-Awaited Muon Measurement Boosts Evidence for New Physics,” Scientific American ; “First results from Fermilab’s Muon g-2 experiment strengthen evidence of new physics,” Fermilab ; “A Tiny Particle’s Wobble Could Upend the Known Laws of Physics,” The New York Times ; “The muon g-2 experiment might mean the Standard Model of physics is incomplete, but that’s just the beginning,” Massive Science ; et “Dark Matter’s Last Stand,” Scientific American.