La matière noire traquée au sous-sol de l'Irfu
Publié par Redbran le 26/11/2019 à 14:00
Source et illustrations: CEA IRFU
La masse manquante de l'univers ou matière noire non-baryonique est probablement constituée de particules qui restent à découvrir. Massives et neutres, aux interactions très faibles, elles échappent toujours à une détection qui permettrait de les identifier. Alors que les photons conventionnels sont sans 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...), 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...) pourrait être faite de particules d'un type nouveau, semblables à des photons massifs. De nouveaux résultats expérimentaux sur la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) 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 liquide, l'état...) non-baryonique sous cette forme, obtenus par une équipe de trois membres de l'Irfu viennent d'être publiés dans Physical Review Letters [1].


Expérience SHUKET à la recherche de la matière noire

Nouvelles particules au delà du modèle standard

La construction d'un modèle de matière noire nécessite d'ajouter des ingrédients au 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...). En e?et, il ne décrit pas de particule ayant les propriétés requises. Une telle modi?cation peut être par exemple l'ajout d'une symétrie entre bosons et fermions (la supersymétrie) ou l'ajout de petites 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...) supplémentaires. Ces deux hypothèse conduisent à la prédiction des fameux WIMPs, recherchés dans les laboratoires souterrains, au LHC ou en astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs propriétés physiques et chimiques. Elle ne doit pas être confondue...) gamma. D'autres types d'extensions du modèle, inspirés par la théorie des cordes (La théorie des cordes est l'une des voies envisagées pour régler une des questions majeures de la physique théorique : fournir une description de la gravité quantique c'est-à-dire l'unification de la mécanique...), font apparaître des symétries U(1) additionnelles, conduisant à l'ajout de particules de type photons, dont certains peuvent être massifs et se mélanger avec le photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules...) conventionnel.

Détecter ces hypothétiques photons massifs

S'ils constituent la matière noire dans laquelle nous baignons, ces hypothétiques photons massifs agiraient de façon semblable à un potentiel électrique (Le potentiel électrique est l'une des grandeurs définissant l'état électrique d'un point de l'espace. Son unité est le volt.) oscillant. Ces particules interagiraient très faiblement avec la matière conventionnelle, de telle sorte que les surfaces des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) conducteurs émettraient 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...) électromagnétique de très faible puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) [2].


Schéma de principe de l'expérience SHUKET

L'expérience SHUKET (acronyme pour SearcH for U(1) darK matter with an Electromagnetic Telescope) a été conçue pour rechercher ce signal ténu. Le dispositif utilise le banc de test optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) pour les miroirs d'un futur réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud (node) l'extrémité...) de télescopes au sol (CTA) au sous-sol d'un bâtiment de l'Irfu. La partie potentiellement émettrice est constituée d'une portion de sphère (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une sphère est une surface constituée de tous les points situés à une même distance d'un point appelé centre. La...) de 1.2 m2 en aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.), fabriquée par la PME Kerdry, également en 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...) de la production de miroirs pour le réseau CTA. Cette portion de sphère de 32 m de rayon de courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure quantitative du caractère « plus ou moins courbé » de cet objet. Par exemple :) est produite comme les miroirs de CTA, où le verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de silicium (silice SiO2) et de fondants, le...) a été remplacé par du métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons...). Au niveau de la détection, SHUKET a utilisé des appareils qui n'étaient plus utilisés par d'autres expériences (antenne cornet, ampli?cateurs) et a béné?cié du prêt d'un analyseur de spectre par la société Rohde & Schwartz.


Photo de la calotte sphérique en aluminium (à gauche), antenne cornet et blindage
(milieu), analyseur de spectre (à droite).

120 heures de prise 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 événement, etc.) ont permis de contraindre la puissance émise par la calotte sphérique au niveau de 10-22 W/Hz entre 5 GHz et 6.8 GHz. Un signal de matière non-baryonique dans cette gamme de fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par...) se manifesterait par un excès de puissance constant dans le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) dont la forme spectrale est connue et dont la fréquence dépend de la masse du photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette...) massif (Le mot massif peut être employé comme :). Ceci permet de rejeter les signaux parasites qui seraient observés au dessus des fluctuations du bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.) et qui ne présentent pas ces caractéristiques.



Figure 3: Puissance résiduelle mesurée dans des bandes de 1 Hz et forme du signal de matière non-baryonique attendu

La fgure 3 montre les résidus de la di?érence de puissance mesurée sur une bande de fréquence (Une bande de fréquence définit une plage de fréquences qui ont des propriétés similaires :) étroite entre deux prises de données: en mode ON avec le système aligné et en mode OFF avec le système désaligné. Un signal de la forme de celui dessiné sur cette figure est recherché de façon systématique (En sciences de la vie et en histoire naturelle, la systématique est la science qui a pour objet de dénombrer et de classer les taxons dans un certain ordre, basé sur des principes divers. Elle ne doit pas...) dans toutes les données. L'absence d'excès significatif de puissance attribuable à la matière noire conduit à contraindre par valeurs supérieures le paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) de mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi appelée mélange. Les...) χ entre les photons massifs et les photons conventionnels.

Les contraintes obtenues sont présentées sous la forme de courbes d'exclusion dans la ?gure 4. SHUKET a exclu des paramètres de mélange de l'ordre de 5x10-11 dans une gamme de masse entre 20.8 µeV et 28.3 µeV. Les modèles inspirés de 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...) des cordes prévoient des paramètres de mélange compris entre 10-11 et 10-3 [3,4], sans toutefois donner d'indication (Une indication (du latin indicare : indiquer) est un conseil ou une recommandation, écrit ou oral.) claire sur la masse du nouveau photon.


Figure 4: Contraintes sur les photons massifs dans le plan paramètre de mélange / masse. La région colorée est exclue par les mesures astrophysiques et les régions situées au dessus des di?érentes courbes sont exclues par des expériences en laboratoire. La région d'exclusion obtenue avec SHUKET est présentée en rouge.

La gamme de masse visée par SHUKET est en fait motivée par un autre candidat à la matière non-baryonique: l'axion. Ce dernier propose une solution commune à la masse manquante et à l'absence de violation de CP dans les interactions fortes, considérée comme non naturelle. En effet, l'intérêt principal de SHUKET est de préparer des expériences similaires avec la calotte sphérique plongée dans un fort champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et...) dipolaire. Un tel dispositif est en cours d'étude, il permettra de poser des contraintes inédites sur les axions.

Contacts:
Pierre Brun, Laurent Chevalier

Notes:
[1] Direct Searches for Hidden-Photon Dark Matter with the SHUKET Experiment, P. Brun, L. Chevalier, C. Flouzat, Phys. Rev. Lett., 122, 2019801 (2019)
[2] Searching for WISPy Cold Dark Matter with a Dish Antenna, D. Horns, J. Jaeckel, A. Lindner, A. Lobanov, J. Redondo, A. Ringwald, JCAP 4, 016 (2013)
[3] Kinetic Mixing and the Supersymmetric Gauge Hierachy, K.R. Dienes, C. Kolda, J. March-Russel, Nucl. Phys. B 492, 104 (1997)
[4] Naturally Light Hidden Photons in LARGE Volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) String Compacti?cations, M. Goodsell, J. Jaeckel, J. Redondo, A. Ringwald, JHEP 11, 027 (2009)
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