Probabilité de la masse de l’axion, candidat pour la matière noire


  • FrançaisFrançais

  • Le Supercalculateur JUQUEEN du centre de recherche de Jülich propose un axion d’une masse de 50 à 1500 microélectronvolts ce qui est des milliards de fois plus léger qu’un électron. Avec l’absence de résultats pour détecter les WIMPS, l’axion devient très intéressant ces derniers temps pour trouver la matière noire.


    Le Supercalculateur JUQUEEN du centre de recherche de Jülich propose un axion d'une masse de 50 à 1500 microélectronvolts ce qui est des milliards de fois plus légers qu'un électron. Avec l'absence de résultats pour détecter les WIMPS, l'axion devient très intéressant ces derniers temps pour trouver la matière noire.

    Pour détecter la matière noire, les physiciens doivent effectuer des simulations informatiques pour déterminer le type de particule qui pourrait constituer cette substance. Les scientifiques doivent étendre le modèle standard de la physique des particules pour prédire la masse de ce qu’on connait comme des axions. L’axion est un candidat prometteur pour la matière noire, surtout après l’absence de résultats pour découvrir les WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles) qui était le premier sur la liste. Une équipe germano-hongroise menée par le professeur Zoltán Fodor de l’université de Wuppertal et de l’université d’Eötvös à Budapest a mené ces calculs en utilisant le Supercalculateur JUQUEEN du centre de recherche de Jülich et ils proposent leurs résultats dans la revue Nature. 1

    La matière noire constitue environ 27 % de l’univers et on sait qu’elle existe parce qu’on peut observer ses effets gravitationnels. La rotation des galaxies ne serait pas si rapide si on considérait uniquement la matière visible. Et les données du satellite Planck suggèrent également la présence de cette matière noire en plus de l’énergie noire.

    Maintenant, comment trouver cette matière noire ? Les hypothèses sont nombreuses. Soit la matière noire n’est composée que de quelques particules très massives, soit elle est composée de dizaines de particules très légères. Les détecteurs souterrains et les collisionneurs se concentrent sur les particules lourdes. Mais les axions font partie des particules très légères. Certains estiment qu’on peut détecter directement les axions si on pouvait prédire sa masse. De cette manière, la recherche prendrait moins de temps, car si on doit deviner au pif, alors on cherchera encore la matière noire dans les prochaines décennies.

    L’origine de l’axion

    L’existence des axions est prédite par une extension de la chromodynamique quantique (QCD) qui est la théorie quantique de l’interaction nucléaire forte. L’interaction forte est l’une des 4 forces fondamentales de l’univers avec la gravitation, l’électromagnétisme et la force nucléaire faible. Les considérations théoriques indiquent qu’il y a des fluctuations quantiques topologiques dans la chromodynamique quantique qui permettent d’observer une violation de la symétrie inversée du temps. Cela signifie que certains processus doivent varier s’ils vont vers l’avant ou vers l’arrière. Mais cela reste théorique et aucune expérience n’a pu le démontrer.

    L’extension à la chromodynamique quantique restaure l’invariance de l’inversion du temps, mais dans le même temps, elle prédit l’existence d’une particule à interaction très faible qui est l’axion. Et la masse de l’axion dépend de la force des fluctuations quantiques topologiques. Et il faut un Supercalculateur comme le JUQUEEN pour calculer ces fluctuations dans l’intervalle de température qui est pertinente pour prédire la distribution relative des axions dans la matière qui compose l’univers. Et avant ça, il faut développer de nouvelles méthodes d’analyses pour connaitre cet intervalle de température.

    Les résultats montrent que si les axions composent la matière noire, alors ils doivent avoir une masse de 50 à 1500 microélectronvolts. C’est une masse inférieure à 10 milliards de fois à celle de l’électron. Le résultat est que chaque centimètre cube de l’univers doit contenir environ 10 millions d’axions. Mais la matière noire n’est pas répartie de manière homogène, mais elle forme des amas et des branches comme une toile d’araignée. Et à cause de cette répartition, notre région locale de la Voie lactée doit contenir environ 1 billion d’axions par centimètre cube.

    Pour les chercheurs, c’est une étape importante, car leur modèle propose une fourchette de masse précise pour mener les expériences. Et cela lance la course pour détecter ces particules. Les scientifiques estiment qu’il faudra de 3 à 5 ans pour que les expériences découvrent ou non les axions. Sur le papier, c’est très solide, mais leur hypothèse est de considérer l’existence de l’axion comme avéré. Et c’est le problème. Avec les WIMPS, on avait eu le même problème avec beaucoup d’optimisme et les détecteurs n’ont rien trouvé. Récemment, une étude, qu’on doit prendre avec précaution, estime que la vélocité radiale des étoiles dans les galaxies peut s’expliquer uniquement par la matière connue. Cela sous-entend que la matière noire est bien plus complexe qu’on le pensait.

    Le détecteur actuel d’Axions est trop léger

    Malheureusement, il y a un petit problème. On a déjà des expériences qui tentent de détecter l’axion. Ainsi, l’Axion Dark Matter eXperiment (ADMX) consiste en un cylindrique métallique qui utilise de puissants champs magnétiques qui pourrait convertir des axions en photons qu’on pourrait détecter dans le spectre des ondes radios. L’expérience a commencé en 1996 et elle est toujours en cours à l’université de Washington à Seattle.

    Mais ce détecteur est trop léger. Les précédents calculs suggéraient que l’axion avait une masse d’environ 5 microélectronvolts, 100 milliards de fois plus léger que l’électron. Mais les travaux de Zoltan Fodor nous donne une fourchette de 50 à 1500 microélectronvolts alors que le détecteur est sensible uniquement à la fourchette de 0,5 à 40 microélectronvolts. Mais d’autres détecteurs prévus pourraient détecter des axions d’une masse plus lourge. Avec le détecteur ADMX, on cherche des cerises de 5 centimètres, alors qu’elles doivent faire plus dans les 50 centimètres. Mais il faudra encore déterminer si l’axion est notre particule Graalique de la matière noire et ce n’est pas gagné.

    Sources

    1.
    Borsanyi S, Fodor Z, Guenther J, et al. Calculation of the axion mass based on high-temperature lattice quantum chromodynamics. Nature. 2016;539(7627):69-71. doi: 10.1038/nature20115
    N'oubliez pas de voter pour cet article !
    1 étoile2 étoiles3 étoiles4 étoiles5 étoiles (No Ratings Yet)
    Loading...
    mm

    Jacqueline Charpentier

    Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

    Laisser un commentaire

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