De l'antimatière pour sonder la matière noire
Publié par Redbran le 20/11/2019 à 08:00
Source: CERN
La collaboration BASE rapporte la première recherche en laboratoire d'une interaction entre l'antimatière et une particule candidate à la matière noire.


Stefan Ulmer, porte-parole de BASE, travaillant sur l'expérience (Image: CERN)

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....) et le déséquilibre entre matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide,...) et antimatière (L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière classique — celle dont est faite la Terre. Le préfixe « anti- »...) sont deux des plus grands mystères de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). 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 explique la très...) astronomiques nous indiquent que la matière noire représente la majeure partie de la matière qui existe dans le cosmos, mais nous ne savons pas de quoi elle est constituée. Par ailleurs, les théories sur l'Univers primordial prédisent que la matière et l'antimatière devraient avoir été produites dans des quantités semblables ; or, pour une raison inconnue, la matière a prédominé. Pourrait-il y avoir un lien entre cette asymétrie (L'asymétrie est l’absence de symétrie, ou son inverse. Dans la nature, les crabes violonistes en sont des exemples spectaculaires.) matière-antimatière et la matière noire ?

Dans un article publié dans la revue Nature, la collaboration BASE rend compte de la première 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...) menée en laboratoire dans le but de déceler une 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.) entre l'antimatière et une particule hypothétique candidate à la matière noire, l'axion. Une possible interaction pourrait, en plus de révéler l'origine de la matière noire, entraîner une révolution de nos certitudes établies de longue date sur les propriétés de symétrie de la nature. En travaillant auprès de l'usine d'antimatière du CERN, l'équipe de BASE a fixé les première limites obtenues en laboratoire pour l'existence des axions de matière noire, celles-ci étant subordonnées à l'hypothèse que les axions interagissent de préférence avec l'antimatière plutôt qu'avec la matière.

Les axions ont été imaginés initialement pour expliquer les propriétés de symétrie de l'interaction forte, qui lie ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une...) les quarks pour former des protons et des neutrons, et les protons et les neutrons eux-mêmes pour former des noyaux. Leur existence est également prédite par de nombreuses théories au-delà du Modèle standard, notamment les théories des supercordes. Les axions seraient légers et ils interagiraient très faiblement avec les autres particules. Étant donné qu'ils seraient stables, les axions produits lors du Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des modèles cosmologiques qui la...) seraient encore présents dans l'Univers, et ils pourraient peut-être fournir une explication sur la matière noire que nous observons. En vertu du principe de la dualité onde-particule (« Les objets quantiques sont dingues, mais au moins, ils sont tous dingues de la même manière. Richard Feynman » ) de la mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de décrire les phénomènes fondamentaux à l'œuvre dans les...), le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) des axions de matière noire oscillerait selon une fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par...) proportionnelle à 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 (la masse...) de l'axion. Dans la présente expérience, cette 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 soit le domaine.) ferait varier l'intensité des interactions du champ avec la matière et l'antimatière, ce qui entraînerait des variations périodiques de leurs propriétés.

Les expériences réalisées en laboratoire avec de la matière ordinaire n'ont jusqu'ici pas révélé de signes de ces oscillations, et ont ainsi défini des limites strictes pour l'existence des axions cosmiques. Les lois actuellement admises de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...) prédisent que les axions interagissent de la même manière avec les protons et les antiprotons (c'est-à-dire les antiparticules des protons) ; or c'est justement le rôle des expériences que de mettre à l'épreuve ces connaissances, dans ce cas précis en cherchant directement l'existence d'axions de matière noire au moyen d'antiprotons.

Dans leur étude, les scientifiques de BASE ont cherché des oscillations dans le mouvement de rotation du moment magnétique (En magnétostatique, soit une distribution de courants permanents à support compact de volume V.), ou "spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge électrique. Comme la...)", de l'antiproton – imaginez le mouvement chancelant d'une toupie ( Une toupie est un jouet destiné à tourner sur lui-même le plus longtemps possible, en équilibre sur sa pointe. On appelle également toupie le réservoir de camions spécialisés dans le transport de...) juste avant qu'elle s'arrête ; elle tourne sur elle-même et subit en même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) un mouvement de "précession (La précession est le nom donné au changement graduel d'orientation de l'axe de rotation d'un objet ou, de façon plus générale, d'un vecteur sous l'action de...)" autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au...) d'un axe vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en accords plaqués.). Si 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...) d'interaction axion-antiproton est plus importante qu'elle devrait, cela entraînerait des variations de la fréquence du mouvement de précession.

Pour chercher les oscillations, les chercheurs ont d'abord pris des antiprotons issus de la fabrique d'antimatière du CERN, seul endroit au monde (Le mot monde peut désigner :) où des antiprotons sont créés quotidiennement. Ils les ont ensuite confinés dans un dispositif appelé piège de Penning afin d'éviter qu'ils n'entrent en contact avec de la matière ordinaire et s'anihilent. Puis, ils ont envoyé un antiproton unique dans un piège de Penning multiple de haute précision afin de mesurer et de retourner l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) de son spin. En réalisant ces mesures presque mille fois, sur une période d'environ trois mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.), ils sont parvenus à déterminer une fréquence moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun...), selon le temps, du mouvement de précession de l'antiproton, d'environ 80 megahertz, avec une incertitude de 120 millihertz. En cherchant des variations temporelles régulières parmi les mesures individuelles réalisées au cours des trois mois de leur campagne (La campagne, aussi appelée milieu rural désigne l'ensemble des espaces cultivés habités, elle s'oppose aux concepts de ville,...) d'expérimentation (L'expérimentation est une méthode scientifique qui consiste à tester par des expériences répétées la validité d'une hypothèse et à obtenir des...), ils ont pu sonder toute éventuelle interaction axion-antiproton pour un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de valeurs de la masse de l'axion.

Les scientifiques de BASE ne sont pas parvenus à détecter parmi leurs mesures ces variations susceptibles de révéler une possible interaction axion-antiproton. Toutefois, l'absence de 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...) leur a permis de fixer des limites inférieures pour la force de l'interaction axion-antiproton pour une certaine gamme de masses possibles de l'axion. Ces limites, basées sur les résultats obtenus en laboratoire, vont de 0,1 à 0,6 GeV selon la masse présumée de l'axion. Pour comparaison, les expériences les plus précises utilisant la matière obtiennent des limites inférieures beaucoup plus restreintes, situées entre environ 10 000 et 1 000 000 GeV. Cela montre qu'avec la sensibilité actuelle des expériences, il faudrait une violation importante des propriétés de symétrie actuellement établies pour détecter un possible signal.

S'il devait s'avérer que les axions ne sont pas une composante majeure de la matière noire, ils pourraient tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) de même être produits directement lors de l'effondrement ou l'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette transformation s'effectue rapidement, plus...) d'étoiles en supernovas ; les limites concernant la force de leur interaction avec les protons ou les antiprotons pourraient alors être déduites par l'examen de l'évolution de ces explosions stellaires. Les observations réalisées lors de l'explosion de la célèbre supernova (Une supernova est l'ensemble des phénomènes conséquents à l'explosion d'une étoile, qui s'accompagne d'une augmentation brève...) SN1987A fixent toutefois des contraintes pour la force de l'interaction axion-antiproton, qui sont environ 100 000 fois plus basses que celles obtenues par BASE.

Les nouvelles mesures de la collaboration BASE, qui a fait équipe avec des scientifiques de l'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...) Helmholtz de Mayence pour cette étude, constituent une technique novatrice pour sonder la matière noire et ses possibles interactions avec l'antimatière. Les résultats de cette expérience, qui se basent sur des hypothèses spécifiques concernant la nature de la matière noire et le modèle de l'asymétrie matière-antimatière, constituent une recherche unique en son genre de nouveaux phénomènes inattendus, susceptibles de mener à des modifications extraordinaires de notre compréhension actuelle du fonctionnement de l'Univers.
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