Découvrir de la matière noire

Par Mark Miller

Les scientifiques pensent que plus d’un quart de l’univers est constitué de matière noire. Mais parce qu’elle est composée de substances qui ne peuvent absorber, refléter ou émettre de la lumière, la matière noire est extrêmement difficile à trouver. En fait, le Modèle standard, la meilleure théorie scientifique concernant les composantes de l’univers et leurs interactions, reste mystérieusement discret à ce sujet.

Les découvertes de deux expériences, toutefois, pourraient y apporter un éclairage différent : l’une en défiant les prédictions du Modèle standard et l’autre en découvrant des particules potentielles de matière noire alors qu’elles entrent en collision avec des atomes réguliers.

Muons oscillants

L’expérience Muon g-2 réalisée au Fermi National Accelerator Laboratory, ou Fermilab, a permis de montrer que les particules subatomiques appelées muons ne se comportent pas de la manière prévue par le Modèle standard.

Un muon possède les mêmes propriétés physiques qu’un électron, mais sa masse est 200 fois plus grande. Aussi, à l’instar d’un électron, un muon agit comme s’il était doté d’un aimant interne. Quand il traverse un champ magnétique, le muon tourne et oscille comme l’axe d’une toupie.

Dans l’expérience Muon g-2, les muons tournaient autour d’un anneau de 50 pieds de largeur, encore et encore, une sorte de tracée magnétique. Alors qu’ils traversent le champ magnétique, il est possible de mesurer leurs oscillations avec précision. Ces résultats sont ensuite comparés aux valeurs attendues. L’expérience a confirmé une déviation standard de 4,2 par rapport aux prévisions du Modèle standard. Cette divergence pourrait vouloir dire que le muon interagit avec des particules ou avec une autre forme d’énergie toujours inconnue à la science; une découverte que pourrait ouvrir une fenêtre plus grande aux mystères cosmiques comme la matière noire.

Découverte par déviation

Au Laboratoire national du Gran Sasso en Italie, l’expérience XENONnT est effectuée dans le but de rechercher des particules noires en détectant la lumière de scintillation produite lorsqu’elles interagissent avec les atomes du xénon.

L’expérience utilise plus de huit tonnes de xénon liquide. Si une particule noire entre en collision avec le xénon, il libère un électron. Cet événement crée un éclair lumineux qui peut être détecté par un réseau de photomultiplicateurs situé sur la paroi du liquide. Les instruments sont en mesure de détecter même un seul photon libéré par la déviation d’une particule noire.

Les chercheurs utilisent la déviation des particules pour rechercher des particules interagissant faiblement ou PIF. Malheureusement, ils n’ont en encore pas trouvé, mais ils pourraient être récompensés par l’élimination de particules noires candidats, ainsi que leur véritable découverte.

« Il est vrai que vous commencez à vous gratter la tête et à vous dire que vous avez peut-être misé sur le mauvais cheval, » confie le physicien Rafael Lang dans Scientific American concernant la recherche de PIF. Mais il demeure optimiste. « Si vous croyez aux PIF il y a 10 ans, seulement la moitié de ceux-là ont été éliminés. L’autre moitié est toujours là. »¹

« Les muons pourraient interagir avec des particules noires ou d’autres formes d’énergie toujours inconnue à la science. »

Autres possibilités

Les PIF et les forces qui causent les oscillations des muons sont seulement deux possibilités de particules noires. Selon le Scientific American, la particule théorique appelée axion est une autre possibilité. La matière noire pourrait aussi être composée de particules composites. Et encore une autre possibilité est qu’elle n’est pas du tout constituée de particules, mais plutôt de trous noirs. Quelle que soit la réponse, le Muon g-2, le XENONnT et d’autres expériences similaires continueront à aider la recherche des matières mystérieuses.

Mark Miller est un rédacteur de Thermo Fisher Scientific.

References

1. Moskowitz, C. (2021, April 1). Dark Matter’s Last Stand. Scientific American. https://www.scientificamerican.com/article/dark-matters-last-stand

This content was inspired, in part, by “Dark matter,” CERN; “Long-Awaited Muon Measurement Boosts Evidence for New Physics,” Scientific American; “First results from Fermilab’s Muon g-2 experiment strengthen evidence of new physics,” Fermilab; “A Tiny Particle’s Wobble Could Upend the Known Laws of Physics,” The New York Times; “The muon g-2 experiment might mean the Standard Model of physics is incomplete, but that’s just the beginning,” Massive Science; and “Dark Matter’s Last Stand,” Scientific American.