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Posté par Adrien le Mardi 26/12/2017 à 00:00
L'axion, particule candidate pour la matière noire, échappe encore une fois aux observations
Une collaboration internationale, à laquelle participe le LPCC (1), le LPSC (2) et le CSNSM (3), a mené une expérience de laboratoire qui pour la première fois contraint le couplage entre l'axion et les gluons confinés dans des neutrons. La très haute sensibilité du spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité observée — un faisceau lumineux en spectroscopie, ou bien un mélange de molécules par exemple en spectrométrie de masse — en...) nEDM (Neutron Electric Dipole Moment) dédié à la mesure du moment électrique dipolaire du neutron, a permis de repousser les contraintes d'origine astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des objets de l'univers...) par un facteur 1 000, réduisant le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) des possibles pour cette particule. Un résultat publié dans Physical Review le 14 novembre 2017.

Alors que la nature de 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. Différentes hypothèses ont été...) n'est pas encore établie, son existence est mise en évidence par son influence sur la rotation des galaxies (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par...). Les observations (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...) astronomiques contraignent les propriétés de la 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 gazeux. La matière occupe de...) noire essentiellement à travers l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose...) gravitationnelle, mais cette matière noire peut également interagir avec la matière visible via les autres interactions, ouvrant la voie aux expériences en laboratoires. Ces dernières cherchent par exemple des particules interagissant faiblement avec la matière (les WIMPS) sans succès pour le moment. Les axions appartiennent à une autre classe de candidats qui ont été prédits originellement pour résoudre le problème de la violation de CP dans l'interaction forte. Jusqu'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 Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit...), les recherches de l'axion sondaient la conversion des axions en photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d'un point de vue...). Le nouveau résultat, faisant suite à de nouvelles prédictions théoriques, sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est au-delà. Cela couvre à la fois les mesures in situ (champs...) le couplage entre les axions et les gluons confinés dans les nucléons.


Quelques-uns des chercheurs des laboratoires français (LPC-Caen, LPSC-Grenoble et CSNSM-Orsay) devant le spectromètre nEDM au Paul scherrer institute © Paul Scherrer Institute / Markus Fischer

Les théories actuelles prédisent que les axions sont des particules très légères, présentes en très grande quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) dans les galaxies et se déplaçant lentement un peu comme un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont...). Individuellement ces particules interagissent extraordinairement faiblement avec la matière visible, mais collectivement elles forment un champ d'axions oscillant en permanence. Pour l'étudier, les chercheurs et chercheuses ont regardé l'influence de ces perturbations en cherchant des oscillations harmoniques du moment électrique dipolaire du neutron.

De telles oscillations ont été cherchées dans deux jeux de 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...) recueillis dans l'expérience nEDM. Un premier jeu, pris à l'institut Laue Langevin (L'Institut Laue-Langevin (ILL), nommé ainsi en l'honneur des physiciens Max von Laue (physicien allemand 1879-1960) et Paul Langevin (physicien français...) entre 1998 et 2002, a permis de poser la meilleure limite en date sur la mesure moment électrique dipolaire du neutron. Malgré sa sensibilité intégrée plus faible, ce jeu de données couvre une plus grande période, ce qui le rend plus sensible aux basses fréquences (période de quelques mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) à quelques années).Le second jeu de données a été pris au Paul Scherrer Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) entre 2015 et 2016 qui ont le record mondial de la plus grande sensibilité instantanée et cumulée sur la mesure du moment électrique dipolaire du neutron. De ce fait, elles sont extrêmement sensibles aux "hautes" fréquences (période de quelques minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon, levée sur le...) à quelques mois).


Limite sur le couplage axion-nucléon pour les axions ultra-légers (10-24 - 10-17 eV) © Collaboration nEDM

L'analyse de ces deux jeux de données a permis de poser de nouvelles contraintes dans l'espace des paramètres de la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf....) du couplage entre l'axion et un nucléon (Le terme nucléon désigne de façon générique les composants du noyau atomique, i.e. les protons et les neutrons qui sont tous deux des baryons. Le nombre de nucléons par atome...) en fonction de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation...) de l'axion. Les contraintes d'origine astrophysique ont ainsi été repoussées par un facteur 1 000 pour des axions de masse comprise entre 10-24-10-17 eV.

Même si aucune oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à amplitude constante soit amorties. Elles répondent aux mêmes équations quel que...) significative n'a été détectée, cette expérience améliore nettement les limites astrophysiques existantes sur le couplage axion-gluon ; et repousse un peu plus loin certaines théories au-delà du modèle standard. Dans le futur, de nouvelles mesures permettront de sonder des oscillations plus faibles et sur des périodes plus courtes correspondant à des masses plus grandes d'axions.

Notes:
- (1) Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de...) corpusculaire de Caen (LPCC, CNRS/Université Caen Normandie/Ensicaen)
- (2) Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.) (LPSC, CNRS/Université Grenoble Alpes/Grenoble INP)
- (3) Centre de sciences nucléaires et de sciences de la matière (CSNSM, CNRS/Université Paris-Sud)


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Source: CNRS-IN2P3
 
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