De nouvelles perspectives dans la recherche de matière noire froide

Publié par Redbran le 27/01/2021 à 13:00
Source: CERN
L'expérience sur la symétrie baryon-antibaryon BASE auprès de l'usine d'antimatière du CERN a défini de nouvelles limites sur la possibilité pour des particules de type axion de se transformer en photons.


Jack Devlin, physicien, ajuste la sensibilité du dispositif de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) du faisceau d'antiprotons de l'expérience BASE. (Image: CERN)

L'expérience sur la symétrie baryon-antibaryon (BASE), auprès de l'usine d'antimatière (L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière...) du CERN, a défini de nouvelles limites sur l'existence des particules de type axion (L’axion est une particule hypothétique, supposée stable, neutre et de très...), et sur la possibilité pour de telles particules s'inscrivant dans une gamme de masses étroite autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) de 2,97 neV de se transformer en photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...), c'est-à-dire en particules de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...). L'article rendant compte de ce résultat, publié par la revue Physical Review Letters, décrit la méthode innovante mise au point (Graphie) et ouvre de nouvelles perspectives dans la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) de matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre), traduction de l’anglais...) froide.

Les axions, ou des particules de type axion, sont des candidats à la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) noire froide. S'appuyant sur des observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) d'astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche...), les scientifiques estiment qu'environ 27 pour cent de la matière de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) est constituée de matière noire. Ces particules inconnues sont sensibles à la gravitation (La gravitation est le phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction...), mais les autres forces fondamentales ne les affectent pas de façon notable - et peut-être même pas du tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...). La théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) la plus généralement reconnue des forces et particules fondamentales, appelée Modèle standard de la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants...), ne fait état d'aucune particule ayant les bonnes propriétés pour être reconnue comme étant de la matière noire froide. Les résultats annoncés par BASE portent sur ce fond hypothétique de matière noire présent dans tout l'Univers.

Comme le Modèle standard est loin de répondre à toutes les questions, des physiciens ont proposé des théories au-delà du Modèle standard, dont certaines visent à expliquer la nature de la matière noire. Parmi ces théories figurent celles qui posent l'hypothèse de l'existence d'axions, ou de particules de type axion. Ces théories doivent être mises à l'épreuve, et c'est pourquoi de nombreuses expériences ont été conçues dans le monde (Le mot monde peut désigner :), y compris au CERN, pour rechercher de telles particules. Grâce à l'expérience BASE, des outils mis au point pour détecter des antiprotons isolés (l'antiproton étant l'équivalent en antimatière du proton) ont été appliqués à la recherche de la matière noire. C'est d'autant plus remarquable que BASE n'a pas été conçue pour ce type d'étude.

"BASE dispose de systèmes de détection extrêmement sensibles servant à étudier les propriétés d'antiprotons isolés qui ont été piégés. Ces détecteurs peuvent également être utilisés pour rechercher des signaux de particules autres que celles produites par ces antiprotons. Dans cette étude, nous avons utilisé l'un de nos détecteurs en guise d'antenne pour rechercher un nouveau type de particules de type axion", explique Jack Devlin, boursier de recherche au CERN, qui travaille sur cette expérience.

Comparée aux grands détecteurs installés auprès du Grand collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux...) de hadrons (LHC), BASE est une petite expérience. Elle est reliée au Décélérateur d'antiprotons du CERN, qui l'alimente en antiprotons. BASE capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui...) ces antiprotons et les retient dans un piège de Penning, dispositif qui combine champs électriques et champs magnétiques élevés.

Pour éviter des collisions avec la matière ordinaire, le piège est maintenu à 5 kelvins (soit environ -268 degrés Celsius), température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) à laquelle on obtient des pressions extrêmement basses, semblables à celles existant dans l'espace. Dans cet environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) extrêmement bien isolé, des nuages d'antiprotons piégés peuvent subsister pendant des années. Par une manipulation fine des champs électriques, les équipes de BASE peuvent isoler un seul antiproton et le transférer dans une autre partie de l'expérience, dans laquelle des détecteurs supraconducteurs à résonance (La résonance est un phénomène selon lequel certains systèmes physiques...), très sensibles, peuvent capter les courants électriques faibles produits par les antiprotons isolés se déplaçant dans le piège.

Dans l'étude décrite dans l'article publié par Physical Review Letters, l'équipe BASE s'intéressait aux signaux électriques inattendus captés par des détecteurs d'antiprotons ultrasensibles. Au coeur de chaque détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change...) se trouve une petite bobine d'environ 4 cm de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...) de fil supraconducteur, de forme torique, qui ressemble aux inducteurs que l'on trouve souvent dans l'électronique ordinaire. Cependant, les détecteurs BASE, étant supraconducteurs, ne présentent presque aucune résistance électrique, et tous les composants environnants sont choisis soigneusement de façon à ne pas créer de pertes électriques. Cela rend ces détecteurs extrêmement sensibles aux champs électriques faibles. Les détecteurs sont situés dans le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) élevé du piège de Penning ; des axions issus du fond de matière noire interagiraient avec ce champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique et se transformeraient en photons, lesquels pourraient être détectés.

Les physiciens ont utilisé l'antiproton comme capteur (Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une...) quantique afin d'étalonner le bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son....) sur leur détecteur. Ils ont ensuite commencé à rechercher, dans une bande de fréquences étroite, des signatures même faibles, distinctes du bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son....) de fond du détecteur, et qui pourraient ressembler aux signaux émis par des particules de type axion et leurs interactions possibles avec des photons. Rien n'a été trouvé aux fréquences enregistrées, ce qui signifie que BASE a réussi à fixer de nouvelles limites supérieures pour les interactions possibles entre photons et particules de type axion pour certaines masses.

Avec cette étude, BASE ouvre une nouvelle voie pour d'autres expériences comportant un piège de Penning, qui pourraient participer à la recherche de matière noire. Comme BASE n'a pas été conçue pour rechercher ces signaux, plusieurs modifications pourraient être apportés pour accroître la sensibilité et la largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit...) de bande de l'expérience, et améliorer la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un...) de trouver un jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) une particule de type axion.

"Avec cette technique nouvelle, nous avons combiné deux branches de la physique expérimentale qui jusqu'ici n'avaient aucun lien: la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) des axions et la physique de haute précision des pièges de Penning. Notre expérience de laboratoire est complémentaire d'expériences d'astrophysique et elle est particulièrement sensible dans la partie inférieure de la gamme de masses des axions. Avec un instrument spécialement conçu pour cette recherche, nous pourrions élargir le panorama des recherches de l'axion au moyen des techniques des pièges de Penning ", explique Stefan Ulmer, porte-parole de BASE.
Cet article vous a plu ? Vous souhaitez nous soutenir ? Partagez-le sur les réseaux sociaux avec vos amis et/ou commentez-le, ceci nous encouragera à publier davantage de sujets similaires !
Page générée en 0.174 seconde(s) - site hébergé chez Amen
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - A propos - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique