À la recherche de traces de matière noire avec des horloges de spin à neutrons


  • FrançaisFrançais



  • Grâce à une expérience de précision développée à l’Université de Berne, une équipe de recherche internationale a réussi à réduire considérablement la portée de l’existence de la matière noire. L’expérience a été réalisée à la Source européenne de neutrons de recherche à l’Institut Laue-Langevin en France, et apporte une contribution importante à la recherche de ces particules, dont on sait peu de choses.

    Les observations cosmologiques des orbites des étoiles et des galaxies permettent de tirer des conclusions claires sur les forces gravitationnelles attractives qui agissent entre les corps célestes. Constat étonnant : la matière visible est loin d’être suffisante pour pouvoir expliquer le développement ou les mouvements des galaxies. Cela suggère qu’il existe un autre type de matière, jusqu’ici inconnu. En conséquence, en 1933, le physicien et astronome suisse Fritz Zwicky a déduit l’existence de ce que l’on appelle maintenant la matière noire. La matière noire est une forme postulée de matière qui n’est pas directement visible mais qui interagit via la gravité, et se compose d’environ cinq fois plus de masse que la matière avec laquelle nous sommes familiers.

    Récemment, à la suite d’une expérience de précision développée au Albert Einstein Center for Fundamental Physics (AEC) de l’Université de Berne, une équipe de recherche internationale a réussi à réduire considérablement la portée de l’existence de la matière noire. Avec plus de 100 membres, l’AEC est l’un des principaux organismes de recherche internationaux dans le domaine de la physique des particules. Les conclusions de l’équipe, dirigée par Bern, ont maintenant été publiées dans la revue Lettres d’examen physique.

    Le mystère entourant la matière noire

    « La composition réelle de la matière noire n’est toujours pas claire », explique Ivo Schulthess, doctorant à l’AEC et auteur principal de l’étude. Ce qui est certain, cependant, c’est qu’il n’est pas constitué des mêmes particules qui composent les étoiles, la planète Terre ou nous, les humains. Dans le monde entier, des expériences et des méthodes de plus en plus sensibles sont utilisées pour rechercher d’éventuelles particules de matière noire – jusqu’à présent, cependant, sans succès.

    Certaines particules élémentaires hypothétiques, connues sous le nom d’axions, constituent une catégorie prometteuse de candidats possibles pour les particules de matière noire. Un avantage important de ces particules extrêmement légères est qu’elles pourraient expliquer simultanément d’autres phénomènes importants de la physique des particules qui n’ont pas encore été compris.

    L’expérience de Berne éclaire l’obscurité

    « Grâce à de nombreuses années d’expertise, notre équipe a réussi à concevoir et à construire un appareil de mesure extrêmement sensible, l’expérience Beam EDM », explique Florian Piegsa, professeur de physique des basses énergies et de précision à l’AEC, qui s’est vu décerner l’un des prestigieux ERC Starting Grants du Conseil européen de la recherche en 2016 pour ses recherches sur les neutrons. Si les axions insaisissables existent réellement, ils devraient laisser une signature caractéristique dans l’appareil de mesure.

    « Notre expérience nous permet de déterminer la fréquence de rotation des spins des neutrons, qui se déplacent à travers une superposition de champs électriques et magnétiques », explique Schulthess. Le spin de chaque neutron individuel agit comme une sorte d’aiguille de boussole, qui tourne en raison d’un champ magnétique de la même manière que la trotteuse d’une montre-bracelet, mais près de 400 000 fois plus vite. « Nous avons précisément mesuré cette fréquence de rotation et l’avons examinée pour les plus petites fluctuations périodiques qui seraient causées par les interactions avec les axions », explique Piegsa. Les résultats de l’expérience étaient clairs : « La fréquence de rotation des neutrons est restée inchangée, ce qui signifie qu’il n’y a aucune preuve d’axions dans notre mesure », explique Piegsa.

    L’espace des paramètres a été réduit avec succès

    Les mesures, qui ont été effectuées avec des chercheurs français de la Source européenne de neutrons de recherche à l’Institut Laue-Langevin, ont permis l’exclusion expérimentale d’un espace de paramètres d’axions jusqu’alors totalement inexploré. Il s’est également avéré possible de rechercher des axions hypothétiques qui seraient plus de 1 000 fois plus lourds que ce qui était auparavant possible avec d’autres expériences.

    « Bien que l’existence de ces particules reste mystérieuse, nous avons réussi à exclure un espace paramétrique important de la matière noire », conclut Schulthess. Les expériences futures peuvent désormais s’appuyer sur ces travaux. « Enfin, répondre à la question de la matière noire nous donnerait un aperçu significatif des fondements de la nature et nous rapprocherait d’une compréhension complète de l’univers », explique Piegsa.

    L’expérience a été financée par le Conseil européen de la recherche et le Fonds national suisse de la recherche scientifique

    N'oubliez pas de voter pour cet article !
    1 étoile2 étoiles3 étoiles4 étoiles5 étoiles (No Ratings Yet)
    Loading...
    mm

    La Rédaction

    L'équipe rédactionnelle

    Laisser un commentaire

    Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *