Recherchez sur tout Techno-Science.net
       
Techno-Science.net : Suivez l'actualité des sciences et des technologies, découvrez, commentez
Posté par Redbran le Vendredi 18/05/2018 à 12:00
Le parfum éphémère de la matière noire
Une étude théorique récente de l'Irfu a permis d'infirmer un mécanisme lié à la matière noire prétendant expliquer l'anomalie de la durée de vie du neutron. En effet, les contraintes fortes, extraites de ce mécanisme, rendent impossible la prédiction théorique des étoiles à neutrons de 2 masses solaires dont on connait pourtant l'existence. Cette étude a été conduite en collaboration avec des physiciens de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa...) d'Adélaïde en Australie (L’Australie (officiellement Commonwealth d’Australie) est un pays de l’hémisphère Sud dont la superficie couvre la plus grande partie de l'Océanie. En plus de l’île-continent du...), et sera prochainement publiée dans la revue J. Phys. G. Basé sur des calculs théoriques de physique nucléaire (La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :), combinés à des 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....) astronomiques, ce cas illustre bien la fécondité des approches transverses en 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 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...) reste mystérieuse malgré les intenses recherches menées depuis plusieurs décennies. Par définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.), ces particules subissent la gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) et n'interagissent pas avec les photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules...), ce qui permet d'expliquer pourquoi les galaxies (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la suite de deux...) tournent plus vite que permis par leur 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...) visible. Pour le reste, on sait seulement que ce sont des particules neutres et qu'elles ne font pas partie du modèle standard.
Dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de contexte issu traditionnellement de...), on comprend que les nouvelles idées sont les bienvenues et celle proposée très récemment par Fornal and Grinstein [1] était plutôt originale. En effet, le neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les neutrons, avec les protons, sont les constituants du noyau de l'atome. Pour un...) se désintègre selon le processus:

et on sait que la durée de vie (La vie est le nom donné :) du neutron est légèrement plus grande si on la mesure en détectant le proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) issu de la désintégration que si on la mesure de façon inclusive, c'est-à-dire en étudiant le taux de disparition des neutrons. Leur interprétation était que dans le cas inclusif on tiendrait compte d'un canal de désintégration vers une particule de 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...) noire, nommée ? dans la suite. Evidemment, ce mécanisme semble contredire certaines connaissances élémentaires. Par exemple, qu'est ce qui empêche les noyaux stables d'acquérir au fil des désintégrations une composante de matière noire? D'autre part, comme la matière noire n'est pas dans le modèle standard, la transition n ? ? viole la conservation du nombre baryonique (En physique des particules, le nombre baryonique est un nombre quantique invariant. Il peut être défini comme le tiers du nombre de quarks moins le nombre d'antiquarks dans le système.). Fornal and Grinstein ont montré que ces objections ne tiennent pas si la masse de la particule de matière noire vérifie 937.9 MeV < m? < mn car les transitions posant problème sont alors cinématiquement bloquées. Quand on sait que même l'ordre de grandeur de m? n'est pas connu, une telle contrainte serait du pain béni pour les recherches directes.

Dans la fenêtre (En architecture et construction, une fenêtre est une baie, une ouverture dans un mur ou un pan incliné de toiture, avec ou sans vitres.) permise, il y a 2 types de désintégration possibles. Une première expérience a déjà éliminé la transition n ? ? + ? [2] et il reste la possibilité n ? ? + ?? où ?? est une particule de matière noire légère. Ce canal est bien plus difficile à exclure et c'est là que les étoiles à neutrons viennent à la rescousse [3, 4, 5].

Ces résidus du collapse gravitationel des étoiles massives (supernovae type II) ont une masse qui peut atteindre 2 masses solaires [6] et un rayon de 15 km ou moins. La densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour les...) au centre est 5 à 10 fois celle qui existe dans le noyau 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...) et la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud,...) à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) après 1 million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et...) d'années est environ 1 million de degrés. A quelques centaines de mètres de profondeur la densité est telle que les noyaux atomiques sont dissous en une matière nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) uniforme qui est analogue à ce qui existe à l'intérieur des noyaux. La différence est, d'une part que la densité peut être beaucoup plus grande, et d'autre part que cette matière contient surtout des neutrons, d'où le nom. La petite fraction de protons voit sa charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne...) compensée par les électrons ou les muons.


La résistance à 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...) gravitationelle est fournie par la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) de la matière. Qualitativement, on a d'une part la pression d'un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de...) de neutrons à température nulle et dont l'origine est simplement la vitesse (On distingue :) des diverses particules. Elle existe indépendamment des interactions. D'autre part, il y a la répulsion à courte distance entre les neutrons, le fameux coeur dur de la force nucléaire (La force nucléaire est une force qui s'exerce entre nucléons. Elle est responsable de la liaison des protons et des neutrons dans les noyaux atomiques. Cette force peut être comprise en termes...). Cette dernière domine à très haute densité et permet d'avoir des étoiles à neutrons jusqu'à 2 masses solaires plutôt que des trous noirs.


Figure 1: Pression en fonction de la densité d'énergie, c'est-à-dire l'équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre l'équation consiste à déterminer toutes les façons de donner à certaines...) d'état, calculée dans le modèle QMC avec et sans matière noire.

Supposons maintenant que les neutrons de l'étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la Terre.) soient autorisés à se désintégrer en matière noire. Un nouvel équilibre va progressivement s'établir et on peut deviner ce qui va se passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.). Premièrement, la densité de neutrons va diminuer au profit de la matière noire et la perte de pression du coté des neutrons n'est pas compensée par celle de la matière noire. Deuxièmement, l'effet de la répulsion à courte distance va être réduite car la matière noire ne participe pas à cette 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 l'entrée en contact de sujets.). Les deux effets s'ajoutent et conduisent à une réduction de la pression.

Ces arguments sont bien sûr qualitatifs. Pour tirer des conclusions quantitatives, on utilise un modèle réaliste pour calculer l'équation d'état de la matière (Bien que le concept de phase soit simple, il est difficile de le définir précisément. Une bonne définition de la phase d'un système est « une région...), c'est-à-dire la relation entre la pression et la densité. Ici on utilise le modèle QMC [7] qui décrit bien les noyaux ordinaires et en même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) prédit des étoiles à neutrons, notamment celle observée de 2 masses solaires. On montre sur la Figure 1 l'équation d'état et comme anticipé on voit que la présence de matière noire diminue considérablement la pression. La conséquence pour la masse des étoiles à neutrons est spectaculaire, comme on le voit sur la Figure 2. La masse maximale atteint à peine 0,7 masse solaire (En astrophysique, la masse solaire est l'unité de masse conventionnellement utilisée pour les étoiles ou les autres objets massifs. Elle est égale à la masse de notre Soleil. Son symbole et sa valeur sont :) ce qui est contredit par les observations. On peut donc affirmer que le scénario proposé par Fornal et Grinstein, pour expliquer l'anomalie de la durée de vie du neutron, est exclu.


Figure 2: Masse de l'étoile à neutrons en fonction du rayon, avec et sans matière noire.

Ce cas illustre bien l'unité de la physique et la fécondité des approches transversales. Le concept de matière noire, issu d'observations astronomiques, ne fait pas partie du modèle standard de la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi physique des hautes énergies car de nombreuses particules...). Pourtant un scénario invoquant cette matière noire pourrait expliquer le désaccord entre deux mesures de la durée de vie du neutron. Des calculs théoriques de physique nucléaire, combinés à des observations astronomiques, permettent de rejeter ce scénario. Ce type d'approche préfigure peut-être des démarches qui seront d'autant plus courantes à l'avenir que les étoiles à neutrons viennent d'entrer dans le domaine observationnel des ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de...) gravitationnelles.

Références:

[1] B. Fornal and B. Grinstein, ?Dark Matter Interpretation of the Neutron Decay Anomaly,? arXiv:1801.01124 [hep-ph].

[2] Z. Tang et al., ?Search for the Neutron Decay n ? X + ? where X is a dark matter particle,? arXiv:1802.01595 [nucl-ex].

[3] T.F. Motta, P.A.M. Guichon and A.W. Thomas, ?Implications of Neutron Star Properties for the Existence of Light Dark Matter,? à paraître dans J. Physics G, arXiv:1802.08427 [nucl-th].

[4] G. Baym, D.H. Beck, P. Geltenbort and J. Shelton, ?Coupling neutrons to dark fermions to explain the neutron lifetime anomaly is incompatible with observed neutron stars,? arXiv:1802.08282 [hep-ph].

[5] D. McKeen, A.E. Nelson, S. Reddy and D. Zhou, ?Neutron stars exclude light dark baryons,? arXiv:1802.08244 [hep-ph].

[6] P. Demorest, T. Pennucci, S. Ransom, M. Roberts and J. Hessels, ?Shapiro Delay Measurement of A Two Solar Mass Neutron Star,? Nature 467 (2010) 1081 ,arXiv:1010.5788 [astro-ph.HE].

[7] P.A.M. Guichon, J.R. Stone and A.W. Thomas, ?Quark (Les quarks sont des fermions que la théorie du modèle standard décrit, en compagnie de la famille des leptons, comme les constituants élémentaires de la matière.)?Meson-Coupling (QMC) model for finite nuclei, nuclear matter and beyond,? Prog. Part. Nucl. Phys. ,arXiv:1802.08368 [nucl-th].

Plus d'informations:

? Structure de la matière nucléaire ? Structure en quarks et gluons des hadrons

? Le Département de Physique Nucléaire

? Laboratoire structure du 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 est généralement noté « A », et appelé...) (LSN)

Commentez et débattez de cette actualité sur notre forum Techno-Science.net. Vous pouvez également partager cette actualité sur Facebook, Twitter et les autres réseaux sociaux.
Icone partage sur Facebook Icone partage sur Twitter Partager sur Messenger Icone partage sur Delicious Icone partage sur Myspace Flux RSS
Source: CNRS-INSU