Weakly interacting massive particles - Définition

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En astrophysique, les WIMPs (acronyme anglais pour " particules massives interagissant faiblement ") forment une solution au problème de la matière noire.

Ces particules interagissent très faiblement avec la matière ordinaire (nucléons, électrons), leur section efficace (Une section efficace est une grandeur physique correspondant à la probabilité d'interaction d'une...) d'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) est de l'ordre du picobarn. C'est cette très faible interaction, associée à une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) importante (de l'ordre de celle d'un noyau atomique), qui en font un candidat crédible pour la matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre), traduction de l’anglais...).

Théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...)

Introduction

La matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) noire se divise en deux formes : la matière noire baryonique, qui est formée de matière ordinaire (protons, neutrons, électrons) et la matière noire non baryonique, constituée de particules exotiques.

La matière noire non baryonique se divise en deux composantes, d'une part celle dite chaude (ou HDM pour Hot Dark Matter) qui regroupe des particules légères produites en équilibre thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) avec la matière baryonique, et d'autre part celle dite froide (ou CDM pour Cold Dark Matter) regroupant les particules non relativistes au moment du découplage photon-matière. Les WIMPs font partie de cette matière noire non baryonique froide.

Outre leur propriété de faible interaction avec la matière ordinaire, les WIMPs sont de plus caractérisées par leur stabilité. Ces propriétés induisent pour ces particules une abondance relique non négligeable. Cette particule sera par la suite notée χ.

Lorsque l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) a une température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) supérieure à mχ, la particule est en équilibre thermique, sa densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) est proportionnelle au cube (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées....) de la température, l'équilibre est conservé par des réactions d'annihilations en quarks ou leptons et vice-versa.

Quand la température devient inférieure à mχ, leur abondance chute exponentiellement tant que le taux d'annihilation <σAvnχ>, reste supérieur au taux d'expansion de l'Univers H.

Quand <σAvnχ> devient inférieur à H, l'annihilation cesse, la densité des particules se fige, on parle alors de densité relique.

Av est la moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...) du produit de la section efficace totale d'annihilation de &chi &chi en ll (lepton-antilepton) ou qq (quark-antiquark) par leur vitesse relative (L'expression vitesse relative est communément utilisée, pour exprimer la différence...). L'évolution dans le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) de la densité de WIMPs est décrite par une équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement...) de Boltzmann.

Cette équation est vérifiée aussi bien pour les particules de Dirac que pour celles de Majorana (cas où χ est sa propre antiparticule). Lorsqu'aucune asymétrie (L'asymétrie est l’absence de symétrie, ou son inverse. Dans la nature, les crabes...) particule-antiparticule n'existe, le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un...) de particules plus antiparticules est 2n\chi; ; dans le cas d'une asymétrie, c'est elle qui donne la valeur de la densité relique.

L'équation de Boltzmann donne une solution approchée de la densité actuelle d'une WIMP :

Ωχh2 = mχnχ / ρc = 3 10-27 cm³. s-1 / σAv

Les WIMPS supersymétriques

Le Modèle standard de la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants...) donne une description de trois des quatre interactions fondamentales de la nature : interaction forte, interaction faible et interaction électromagnétique, les deux dernières étant unifiées en une interaction électrofaible (En physique des particules, l'interaction électrofaible, aussi appelée force...). Il est basé sur l'application de symétries de jauge ( En tant qu'instrument de mesure : Une jauge est un instrument de mesure. On trouve par...), le groupe de jauge du modèle étant SU(3C x SU(2)L x U(1)Y.

Les prédictions du Modèle standard sont très bien vérifiées expérimentalement depuis de longues années, mais des points importants restent sans réponse : d'où vient la masse des particules et peut-on unifier toutes les interactions en une seule théorie unifiée ? C'est pour essayer de répondre à ces questions que fut introduite l'idée de la supersymétrie (Note : Pour profiter au mieux de cet article, le lecteur devrait avoir de bonnes notions sur...) (également appelée SUSY).

Le principal but de la supersymétrie est de permettre un pas vers la grande unification (Le concept d'unification est une notion centrale de la logique des prédicats ainsi que...). Elle introduit de fait une unification entre bosons et fermions, soit entre matière et interaction.

Ceci est permis par l'ajout aux générateurs du groupe de Poincaré (translations et rotations d'espace-temps) de N nouveaux générateurs (N pouvant aller jusqu'à 8). Contrairement aux symétries de jauge, ces générateurs changent le spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...) des particules de valeurs demi-entières, créant ainsi un supermultiplet regroupant bosons et fermions.

Le neutralino

La sparticule la plus légère dans le cadre du MSSM est le plus léger des quatre neutralinos, bien que pour certaines valeurs des paramètres, le sneutrino (super-partenaire du neutrino) puisse être la plus légère des sparticules, mais ce cas est peu favorisé. Le neutralino est une combinaison linéaire (En mathématiques, les combinaisons linéaires sont un concept central de l'algèbre...) de plusieurs sparticules : zino, photino et higgsinos, partenaires supersymétriques respectivement du Z0, du photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma)...), et des bosons de Higgs neutres.

Détection expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes...)

Détection directe des WIMPs

En raison de leur interaction très faible avec la matière, la détection des neutralinos s'avère être difficile. De même que les neutrinos, les neutralinos peuvent traverser la matière constituant le soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...) ou la terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) sans aucun effet.

On espère ainsi qu'un grand nombre de WIMPs croisant un grand " volume de détection " créerait un certain genre de réactions au moins quelques fois par année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié...). La stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie...) générale des expériences de détection des WIMPs est de trouver les systèmes les plus sensibles possibles, permettant d'effectuer des mesures avec de grands volumes. Cette stratégie suit les leçons apprises lors de la découverte et de la détection des neutrinos.

La technique employée par les collaborations française EDELWEISS (L'Edelweiss (Leontopodium alpinum), pied-de-lion, Gnaphale à pied de lion dans le Tyrol,...) (CNRS-CEA) installée dans le laboratoire souterrain de Modane (tunnel du Fréjus) et américaine CDMS, installée dans la mine de Soudan, se fonde sur l'utilisation de multiples cristaux refroidis à très basse température (silicium et germanium). Cette technique est actuellement la plus prometteuse pour la mise en évidence du neutralino.

Expériences actuelles

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