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Posté par Michel le Mercredi 15/08/2012 à 00:00
LHC et matière noire
L'observation du mouvement et de la distribution des étoiles et des galaxies nous a appris que 24% de l'Univers est constitué de matière noire, un type de matière inconnu dont l'origine est l'un des principaux mystères de la nature. Les scientifiques du monde (Le mot monde peut désigner :) entier sont en train (Un train est un véhicule guidé circulant sur des rails. Un train est composé de plusieurs voitures (pour transporter des personnes) et/ou de plusieurs wagons (pour transporter des marchandises), et peut...) d'essayer des méthodes expérimentales (Une des bases de la démarche scientifique est l'expérimentation, c'est-à-dire le recueil de données sur le domaine d'étude, et la confrontation du modèle aux faits.) d'identification des particules de cette matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état...) insaisissable. Combien de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) ces particules resteront-elles obscures ? Comment les expériences du LHC peuvent-elles participer à la course (Course : Ce mot a plusieurs sens, ayant tous un rapport avec le mouvement.) à la découverte ?

Le nom lui-même indique qu'il s'agit de matière "invisible". Identifier la matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre) désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d'effets inattendus, notamment au sujet des galaxies....) n'est pas une mince affaire. À ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du...), on ne fait que déduire son existence des observations cosmologiques du mouvement et de la répartition des étoiles et des galaxies, qui ne peuvent s'expliquer que si l'on suppose qu'il y a là "quelque chose de nouveau". Ce "quelque chose" ne peut être de la matière ordinaire, car nous l'observerions alors par nos dispositifs existants.


Figure 1: Des particules de matière noire produites au LHC auraient toutes les chances de ne pas être détectées
par les expériences. Toutefois, l'événement devrait être accompagné d'une "impulsion manquante",
qui pourrait être une signature de la matière noire.
Dans le cadre d'un modèle simple pour la production de matière noire, l'analyse de CMS vient compléter
de façon intéressante la sensibilité des expériences de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) directe.
En particulier, CMS est sensible dans la région des masses faibles, au-dessous de 3,5 GeV
(les régions situées au-dessus des courbes sont exclues).
Crédit: CMS Collaboration, arXiv e-print: 1204.0821.

Étant donné l'importance de la question, une grande partie de la communauté scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les...) s'efforce de trouver la meilleure façon d'explorer ce mystère. Même si nous n'avons pas de réponse définitive, il semble que la solution ne soit pas loin. Du moins, si la matière noire est faite de particules massives interagissant faiblement (dites "WIMP") qui sont, pour les physiciens, les meilleures candidates pour la matière noire. "Voilà un moment très important pour la recherche de la matière noire, explique Marco Cirelli, de l'unité Théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance...) du CERN. Les expériences produisent des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) à une cadence étonnante. Certaines donnent des indications très prometteuses, et d'autres arrivent progressivement à fixer les limites des régions où nous serions encore en mesure de trouver ces WIMP. La situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il...) évolue littéralement jour après jour. C'est parfois compliqué à suivre, mais c'est peut-être mieux: les grandes avancées scientifiques sont souvent précédées par une certaine confusion."

Les expériences s'efforcent de trouver la matière noire essentiellement de deux façons: directement, en observant le recul des noyaux qui pourrait être causé par les particules de matière noire heurtant des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) de matière ordinaire ; et indirectement, en observant des transformations, par exemple l'annihilation de particules de matière noire produisant des rayons gamma. Dans la première catégorie, nous trouvons des expériences telles que Xenon, DAMA, CoGeNT et CRESST ; dans la deuxième catégorie, nous trouvons les expériences de l'espace Pamela (PAMELA (Payload for AntiMatter Exploration and Light-nuclei Astrophysics) est un observatoire en orbite destiné à déterminer les caractéristiques de la matière noire.), Fermi et AMS. Quant aux expériences du LHC, elles pourraient être en mesure d'observer de nouvelles particules - telles que celles prédites par la supersymétrie (Note : Pour profiter au mieux de cet article, le lecteur devrait avoir de bonnes notions sur le spin, la physique des particules et la symétrie en physique.) ou par les théories prédisant des dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son...) supplémentaires – qui sont de très bonnes candidates à la matière noire. "En principe, il est possible de combiner les données issues du LHC et celles d'autres expériences, explique Marco Cirelli. Toutefois, cela suppose de choisir un modèle théorique bien défini pour décrire les interactions entre les particules de matière noire et les quarks qui constituent les protons circulant dans le LHC." Ce n'est pas simple à réaliser, mais c'est ce qu'ont récemment réussi à faire CMS et ATLAS, comme l'explique la figure 1.

Des nouvelles de la matière noire nous arrivent aussi de l'espace. Des données récentes provenant de l'observatoire spatial Fermi ont montré un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par les hommes pour communiquer entre eux...) qui pourrait être interprété comme une signature de particules de matière noire: un excédent du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de rayons gamma à 130 GeV en provenance du centre de la galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par...) (voir figure 2). Un tel signal pourrait être produit par l'annihilation de ces mystérieuses particules. "Il est trop tôt pour qu'on puisse apporter une quelconque conclusion à ce sujet, précise Marco Cirelli. Il nous faut plus de données, et les scientifiques doivent pouvoir comprendre l'origine du signal, et déterminer si la même observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande participation des amateurs...) peut être faite dans différentes régions de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.)."


Figure 2: Excédent de rayons gamma de 130 GeV émanant du centre de la galaxie,
récemment observé dans les données venant de l'observatoire spatial Fermi (visible dans la courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes...) en rouge).
Il pourrait s'agir d'une signature de particules de matière noire de la même masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse...).
Bien que ce résultat soit très intéressant, et très prometteur, il demande à être approfondi
pour qu'on puisse l'interpréter correctement.
Crédit: Christoph Weniger, arXiv e-print: 1204.2797 (in press on JCAP).

Dans ce scénario complexe, il y a une chose sur laquelle les scientifiques semblent s'accorder: le boson (Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés de symétrie particulières lors de l'échange de particules : un système de particules identiques...) récemment découvert, comme sa masse relativement petite, semblent pointer vers une nouvelle physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et...) qui ne devrait pas être hors d'atteinte des expériences du LHC. "Si la matière noire est vraiment faite de WIMP, nous devrions être capables d'identifier ces particules au cours des prochaines années d'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. En...)", confirme Marco Cirelli. Et si les WIMP n'existent pas ? Eh bien, dans ce cas, une grande partie de l'approche expérimentale devra être repensée...

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Source: (c) CERN - Antonella Del Rosso