vendredi , 15 décembre 2017

Le SIMP, un nouveau candidat théorique de la matière noire

La recherche intensive de la matière noire, la masse manquante dans l’univers, n’a pas réussi à trouver une abondance d’étoiles sombres et massives ou d’étranges nouvelles particules interagissant faiblement, mais un nouveau candidat gagne lentement des adeptes et un soutien observationnel avec les SIMP (Strongly Interacting Massive Particles).


Le SIMP, un nouveau candidat théorique de la matière noire
Appelés SIMP (Strongly Interacting Massive Particles ou Particules Massives à Interaction Forte), elles ont été proposées il y a 3 ans par le physicien théoricien Hitoshi Murayama, professeur de physique et directeur de l’Institut Kavli pour la Physique et les Mathématiques de l’Univers (Kavli IPMU) au Japon. Murayama estime que les observations récentes d’une accumulation galactique à proximité pourraient être la preuve de l’existence de SIMP et il prévoit que de futures expériences de physique des particules pourraient les découvrir.

Très peu de MACHOS pour expliquer la matière noire

Les astronomes ont calculé que la matière noire, bien qu’invisible, représente environ 85 % de la masse de l’univers. La preuve la plus solide de son existence est le mouvement des étoiles à l’intérieur des galaxies. Sans la matière noire, certaines galaxies ne pourraient pas se former. Dans certaines galaxies, les étoiles visibles sont si rares que la matière noire représente 99,9 % de la masse de la galaxie.

Les théoriciens ont d’abord pensé que cette matière invisible était juste une matière normale qu’on ne détecte pas. Des étoiles échouées appelées naines brunes ou des trous noirs. Pourtant, on n’a pas découvert des Massive Astrophysical Compact Halo Object (MACHO) qui ont été une solution possible à la matière noire. Un MACHO est un corps composé de matière normale émettant peu ou pas de rayonnement et qui dérive à travers l’espace interstellaire sans être associé à aucun système planétaire. Et en début de cette année, une étude de la galaxie d’Andromède par le télescope Subaru a exclu des trous noirs en grande quantité qu’on n’aurait pas encore découverts.

Les scientifiques ont aussi cherché des trous noirs issus par l’univers primordial qu’on connait comme les trous noirs primordiaux en cherchant des luminosités brusques qui se produisent lorsqu’ils passent devant des étoiles en fond et qu’ils agissent comme une lentille. Ils en ont trouvé un seul ce qui n’est pas suffisant pour contribuer de manière significative à la masse de la galaxie. Cette étude a pratiquement éliminé la possibilité de MACHOs selon Murayama.

Les WIMPs, des particules massives interagissant faiblement, sont également un échec dans les dernières observations même si elles ont attiré l’attention des chercheurs pendant plusieurs décennies. Les WIMPS devraient être relativement grandes, environ 100 fois plus lourdes que le proton, et elles ont une interaction très faible entre elles. On pensait qu’elles interagissaient plus fréquemment avec la matière normale grâce à la gravité en aidant à attirer la matière normale dans des amas qui se développent en galaxies et finalement engendrent des étoiles.

Les SIMP interagissent avec elles-mêmes

Les SIMP (Strongly Interacting Massive Particles), comme les WIMP et les MACHO, auraient théoriquement été produits en grande quantité au début de l’histoire de l’univers et ensuite, elles se sont refroidies à la température cosmique moyenne. Mais contrairement aux WIMPs, les SIMP sont supposés interagir fortement avec elles-mêmes via la gravité, mais très faiblement avec la matière normale. Une possibilité proposée par Murayama est qu’un SIMP est une nouvelle combinaison de quarks, qui sont les composants fondamentaux des particules comme le proton et le neutron, appelés baryons. Alors que les protons et les neutrons sont composés de 3 quarks, un SIMP n’en contiendrait que 2 avec un quark et un antiquark.

La structure proposée pour le SIMP (Strongly Interacting Massive Particles) est similaire à un pion (gauche). Les pions sont composé un Quark Up et d'un Quark Down avec un gluon (g) qui les maintient ensemble. Un SIMP serait composé d'un quark et d'un antiquark maintenu par un gluon - Crédit : Kavli IPMU graphic

La structure proposée pour le SIMP (Strongly Interacting Massive Particles) est similaire à un pion (gauche). Les pions sont composé un Quark Up et d’un Quark Down avec un gluon (g) qui les maintient ensemble. Un SIMP serait composé d’un quark et d’un antiquark maintenu par un gluon – Crédit : Kavli IPMU graphic

Le SIMP serait plus petit qu’un WIMP, avec une taille équivalente à celle d’un noyau atomique ce qui implique qu’il y en a bien plus que les WIMPs. Une quantité importante de SIMPs signifieraient que, malgré leur faible interaction avec la matière normale, elles laisseraient toujours une empreinte sur la matière normale selon Murayama.

Le chercheur observe une telle empreinte dans 4 galaxies en collision à l’intérieur du groupe Abell 3827 où, petite surprise, la matière noire semble être en décalage avec la matière visible. Cela pourrait s’expliquer, selon le chercheur, par des interactions entre la matière noire dans chaque galaxie qui ralentit la fusion de la matière noire, mais pas celle de la matière normale.

Une façon de comprendre pourquoi la matière noire est décalée par rapport à la matière normale est que les particules de matière noire ont une taille finie et elles se dispersent les unes contre les autres, donc elles sont repoussées quand elles veulent se déplacer vers le reste du système. Cela expliquerait l’observation et c’est le genre de chose prédite par ma théorie de la matière noire avec un état lié à un nouveau type de quarks selon Murayama

Les SIMP résolvent aussi un obstacle majeur des WIMPs. La capacité à expliquer la distribution de la matière noire dans les petites galaxies. Si vous regardez les galaxies naines, qui sont très petites avec relativement peu d’étoiles, alors elles sont vraiment dominées par la matière noire et si vous faites des simulations numériques de la matière noire, alors elles prédisent toujours qu’il y a une énorme concentration vers le centre avec une cuspide selon Murayama. Mais les observations semblent suggérer que la concentration est plus plate sous la forme d’un noyau au lieu d’une cuspide. Le problème noyau/cuspide a été considéré comme l’un des problèmes majeurs de la matière noire qui n’interagit pas autrement que par la gravité. Mais si la matière noire a une taille finie, comme une SIMP, alors les particules peuvent se disperser ce qui aurait pour effet d’aplatir le profil de masse vers le centre ce qui est une autre preuve de ce genre d’idée théorique.

Les recherches en cours pour les WIMPs et les axions

Des expériences au sol pour rechercher des SIMP sont prévues, principalement dans des accélérateurs comme le Grand Collisionneur de Hadrons au CERN où les physiciens sont toujours à la recherche de particules inconnues qui correspondent à de nouvelles prédictions. Une autre expérience du projet International Linear Collider au Japon pourrait également être utilisée pour rechercher des SIMP.

Murayama et ses collègues affinent la théorie des SIMP et cherchent des moyens de les trouver, la recherche de WIMP se poursuit. L’expérience Large Underground Xenon (LUX) dans une mine souterraine dans le Dakota du Sud a fixé des limites strictes sur l’apparence d’un WIMP et une expérience améliorée appelée LZ repoussera ces limites.

Les physiciens cherchent également d’autres candidats à la matière noire qui ne sont pas des WIMPs. On a 2 expériences à la recherche d’une particule hypothétique appelée axion qui peut correspondre aux exigences de la matière noire. L’expérience Cosmic Spin-Precession (CASPEr), dirigée par Dmitry Budker, professeur émérite de physique à l’Université de Mainz en Allemagne et Surjeet Rajendran, théoricien de l’UC Berkeley, étudie les perturbations en spin nucléaire provoqué par un champ d’axion. Karl van Bibber, professeur de génie nucléaire, joue un rôle clé dans l’expérience Axion Dark Matter eXperiment – High Frequency (ADMX-HF), qui vise à détecter les axions à l’intérieur d’une cavité à micro-ondes dans un puissant champ magnétique pendant leur conversion en photons.

Nous ne devons pas abandonner la recherche de WIMPs selon M. Murayama, mais les limites expérimentales deviennent vraiment, vraiment importantes. Une fois que vous atteignez un certain niveau de mesure, vous vous retrouvez avec les neutrinos dans votre expérience ce qui est inimaginable. Les neutrinos interagissent si rarement avec la matière normale qu’on estime que 100 mille milliards de neutrinos traversent notre corps chaque seconde sans qu’on s’en aperçoive ce qui les rend extrêmement difficiles à détecter. Le consensus de la communauté est qu’on ignore le chemin pour trouver la matière noire, mais nous devons descendre au niveau des neutrinos. Mais comme il n’y a pas encore de WIMPS même à ce niveau, alors il faut trouver d’autres candidats.

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A propos de Jacqueline Charpentier

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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.

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