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Posts Tagged ‘matière sombre’

Pour célébrer les cinq premières années d’opération à bord de la Station spatiale internationale, le Professeur Sam Ting, porte-parole de la Collaboration Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) vient de présenter leurs derniers résultats lors d’un récent séminaire tenu au CERN. Avec plus de 90 millions d’évènements recueillis dans les rayons cosmiques, ce groupe dispose des données les plus précises sur une vaste gamme de particules trouvées dans l’espace.

ams-02

source: ©NASA

La question qui intrigue de nombreux scientifiques est de savoir s’ils pourront résoudre l’énigme de l’origine de l’excès de positrons trouvés dans les rayons cosmiques. Les positrons sont l’antimatière des électrons. Étant donné que nous vivons dans un monde fait presque uniquement de matière, les scientifiques se demandent depuis plus d’une décennie d’où émanent ces positrons. Il est bien connu que des positrons sont produits lorsque les rayons cosmiques interagissent avec la matière interstellaire mais on en observe bien plus que ce à quoi on s’attendait de cette seule source.

Des hypothèses diverses ont été formulées pour expliquer l’origine de ces positrons excédentaires. Une des plus fascinantes suggère que ces positrons pourraient venir de l’annihilation de particules de matière sombre. La matière sombre est une nouvelle forme de matière invisible qu’on détecte dans l’Univers par ses effets gravitationnels. La matière régulière, tout ce que nous voyons sur la Terre, mais aussi dans les étoiles et les galaxies, émet de la lumière lorsque chauffée, tout comme une pièce métallique irradie à haute température.

La matière sombre n’émet aucune lumière, d’où son nom. Elle est cinq fois plus répandue que la matière régulière. Personne ne le sait encore mais on soupçonne que cette matière, tout comme la matière ordinaire, soit faite de particules, mais on n’a toujours pas capturé de particules de matière sombre. Mais si de telles particules existaient, elles pourraient s’annihiler entre elles, produisant des électrons et des positrons, ou des paires de protons et d’antiprotons. Si un tel processus était établi, cela confirmerait enfin l’existence de particules de matière sombre et révèlerait quelques indices sur leurs caractéristiques.

Une explication alternative mais moins exotique serait que l’excès observé de positrons provienne de pulsars. Les pulsars sont des étoiles à neutrons ayant un fort champ magnétique et qui émettent de la lumière pulsée. Mais la lumière est faite de photons et les photons peuvent eux aussi produire des paires d’électrons et de positrons. Donc, les pulsars tout comme l’annihilation de matière sombre, fournissent une explication plausible quant à la source de ces positrons.

Pour les distinguer, il faut mesurer l’énergie des positrons captés dans les rayons cosmiques et voir combien on en trouve à haute énergie. C’est ce que AMS a fait et leurs résultats sont visibles dans le graphe de gauche ci-dessous où nous voyons le flux de positrons (axe vertical) trouvé à une énergie particulière (axe horizontal). Le flux combine le nombre de positrons trouvés avec leur énergie au cube. La courbe en vert donne le nombre de positrons produits lorsque des rayons cosmiques frappent de la matière interstellaire (ISM).

Si l’excès de positrons devait venir de l’annihilation de matière sombre, on ne trouverait aucun positron au-delà de l’énergie correspondant à la masse des particules de matière sombre. Ils auraient une distribution d’énergie semblable à la courbe en brun sur le graphe ci-dessous tel que prédit pour des particules de matière sombre ayant une masse de 1 TeV, soit mille fois plus lourd qu’un proton. Dans ce cas, la courbe de distribution d’énergie des positrons chuterait rapidement. Les points en rouge représentent les données d’AMS avec leurs erreurs expérimentales indiquées par les barres verticales. Par contre, si les positrons venaient de pulsars, la chûte à haute énergie serait moins prononcée.

ams-2016

source: Collaboration AMS

Toute la difficulté consiste à comprendre précisément leur comportement à haute énergie. Mais comme on y trouve moins de positrons, il est beaucoup plus difficile de voir ce qu’il en est comme l’indiquent les larges marges d’erreur associées aux mesures faites à plus haute énergie.

Mais si on mesure plutôt la fraction de positrons trouvés dans les données en combinant positrons et électrons, certaines des erreurs expérimentales s’annulent. AMS a rassemblé plus d’un million de positrons et 16 millions d’électrons. Les points en rouge sur le graphe de droite ci-dessus montrent la fraction de positrons trouvée dans leur échantillon en fonction de leur énergie. Malgré les pas de géants accomplis, la précision actuelle de ces mesures ne permet toujours pas d’établir clairement si cette fraction tombe abruptement à haute énergie ou pas.

La Collaboration AMS espère toutefois avoir assez de données pour distinguer les deux hypothèses d’ici à 2024, date à laquelle la Station Spatiale Internationale cessera ses opérations. On peut voir ces projections sur les deux graphes suivants tant pour le flux de positrons (à gauche) que pour la fraction de positrons (à droite). À ce jour, les deux hypothèses sont toujours valides étant donné la taille des erreurs expérimentales.

ams-2024

source: Collaboration AMS

L’hypothèse de la matière sombre peut aussi être testée d’une autre façon. En interagissant avec la matière interstellaire, les rayons cosmiques produisent non seulement des positrons mais aussi des antiprotons. Les annihilations de matière sombre pourraient aussi en produire mais pas les pulsars. Il faut donc déterminer s’il y a ou pas plus d’antiprotons dans l’espace que ce que les rayons cosmiques peuvent produire. Si c’était établi, ce serait un argument de plus contre l’hypothèse des pulsars. Mais pour ce faire, il faut savoir précisément comment les rayons cosmiques se propagent et interagissent avec la matière interstellaire.

S’appuyant sur le vaste échantillon d’antiprotons recueillis par AMS, le Prof. Sam Ting a soutenu qu’un tel excès existe, présentant le graphe suivant à l’appui. On y voit la fraction d’antiprotons trouvés dans l’échantillon total de protons et des antiprotons en fonction de leur énergie. Les points en rouge représentent les mesures d’AMS, la bande brune, les calculs théoriques pour les rayons cosmiques et la bande bleue, ce qui pourrait venir de la matière sombre.

antiproton-fraction

source: Collaboration AMS

Ce graphe suggère fortement un surplus d’antiprotons par rapport à ce que l’on s’attend des rayons cosmiques interagissant avec la matière interstellaire (ISM). Mais tant Dan Hooper qu’Ilias Cholis, deux théoriciens experts en la matière, s’objectent carrément, disant que l’incertitude sur les prédictions théoriques sont beaucoup plus grandes que ce que ce graphe suggère. Ils soutiennent que le graphe suivant (de Cuoco etal.) est de loin plus réaliste. Les points en rose représentent les données d’AMS pour la fraction d’antiprotons et le trait en noir, les prédictions théoriques avec leur marge d’erreur. Les deux concordent ou presque, suggérant l’absence de tout excès. Nous devrons patienter encore quelques années avant que les données d’AMS et les prédictions théoriques soient assez précises pour savoir s’il y a excès ou pas.

antiprotons-theorie

            source : Cuoco, Krämer and Korsmeier, arXiv:1610.03071v1

La Collaboration AMS pourrait nous réserver une autre belle surprise : la découverte d’antiatomes d’hélium dans l’espace. Étant donné l’extrême difficulté à produire une particule d’antimatière plus complexe qu’un antiproton, les scientifiques d’AMS devront trier d’énormes quantités de données et réduire toutes les erreurs expérimentales encore davantage avant qu’une telle découverte ne puisse être établie.

La découverte d’antihélium, ou celle d’un excès d’antiprotons ou encore la résolution de l’énigme des positrons, tout cela vaut bien la peine d’attendre encore quelques années. AMS a du beau pain sur la planche!
Pauline Gagnon

Pour en savoir plus sur la physique des particules et la matière sombre, consultez mon livre “Qu’est-ce que le boson de Higgs mange en hiver et autres détails essentiels“.

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La matière sombre et l’énergie sombre sont bien en évidence à la conférence de physique des particules de la Société de Physique Européenne à Vienne. Bien que les physiciens et physiciennes comprennent maintenant assez bien les constituants de base de la matière, tout ce que l’on voit sur la Terre, dans les étoiles et les galaxies, cette énorme quantité de matière ne représente que 5 % du contenu total de l’Univers. Pas étonnant alors qu’autant d’efforts soient déployés pour élucider le mystère de la matière sombre (27 % de l’Univers) et de l’énergie sombre (68 %).

Depuis le Big Bang, non seulement l’Univers s’étend mais cette expansion va en accélérant. Quelle énergie alimente cette accélération ? Nous l’appelons énergie sombre. Cela demeure absolument inconnu mais l’équipe du Dark Energy Survey cherche à obtenir des éléments de réponse. Ces scientifiques vont examiner un quart du ciel de l’hémisphère sud, cataloguant l’emplacement, la forme et la distribution d’objets astronomiques tels que des amas galactiques (regroupements de galaxies) et de supernovæ (étoiles en explosion). Leur but est de recueillir de l’information sur 300 millions de galaxies et 2500 supernovæ.

Les galaxies se sont formées grâce à l’effet attractif de la gravité, qui a permis à la matière de se regrouper, malgré l’effet dispersif de l’énergie sombre, qui disperse la matière avec l’expansion de l’Univers. Les scientifiques de DES étudient essentiellement comment les grandes structures telles que les amas galactiques se sont développées dans le temps en observant des objets situés à différentes distances et dont la lumière provient de différentes époques dans le temps. Avec plus de données, ces scientifiques espèrent mieux comprendre la dynamique de l’expansion.

La matière sombre est tout aussi inconnue. Jusqu’ici, elle ne s’est manifestée qu’à travers ses effets gravitationnels. Nous pouvons “sentir” sa présence mais pas la voir, puisqu’elle n’émet aucune lumière, contrairement à la matière ordinaire contenue dans les étoiles et supernovæ. Comme si l’Univers entier était rempli de fantômes.

Une douzaine de détecteurs, utilisant des techniques différentes, essaient d’attraper ces particules fantômes. Pas facile de les traquer quand on ne sait ni comment, ni même si ces particules interagissent avec la matière. Elles doivent cependant interagir très rarement car autrement, elles auraient déjà été décelées. On utilise donc des détecteurs massifs dans l’espoir qu’une de ces particules de matière sombre frappe un noyau d’un des atomes du détecteur, induisant une petite vibration décelable. Les différentes équipes de scientifiques tentent de sonder toute la gamme de possibilités. Celles-ci dépendent de la masse possible des particules de matière sombre et leur affinité à interagir avec la matière.

Le graphe ci-dessous illustre la possibilité qu’une particule de matière sombre interagisse avec un noyau (axe vertical) en fonction de leur masse (axe horizontal). Cela couvre une vaste région de possibilités qu’il faut tester. Chaque courbe sur le graphe représente les résultats d’une expérience différente. Les régions au-dessus de ces courbes représentent les possibilités qui sont exclues. La partie gauche du graphe est la plus difficile à explorer car plus les particules de matière noire sont légères, plus la vibration induite est petite.

CRESST-limit

La Collaboration CRESST utilise de petits cristaux opérant à très basse température. Ils peuvent déceler la hausse de température minime que provoquerait une particule de matière sombre en frappant un noyau atomique. Cela leur a permis de réussir là où des dizaines d’expériences précédentes avaient échoué : la recherche de particules très légères. C’est ce que l’on peut voir sur le graphe. Toutes les possibilités au-dessus du trait continu rouge dans le coin supérieur gauche sont désormais exclues. Jusqu’ici, cette zone n’était accessible qu’aux expériences du Grand Collisionneur de Hadron (LHC) du CERN (non incluses dans ce graphe), mais au prix de plusieurs suppositions. CRESST vient d’ouvrir tout un monde de possibilités. Les particules de matière sombre légères n’ont qu’à bien se tenir.

Pauline Gagnon

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Dernier volet d’une série de quatre sur la matière sombre

Après avoir examiné comment la matière sombre révèle sa présence à travers des effets gravitationnels, l’absence de preuves directes d’interaction avec la matière ordinaire et comment la cosmologie soutient aussi son existence, voici ce que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN peut accomplir.

Nous pourrons peut-être trouver la matière sombre avec le LHC mais seulement si la matière sombre interagit avec la matière ordinaire. Comme nous ne connaissons pas le processus exact, nous élaborons des pièges adaptés à autant de bestioles qu’il y a de théories. En voici quelques-unes.

La supersymétrie
Le Modèle standard, la théorie actuelle décrivant la physique des particules, réussi à expliquer presque tout ce qui a été observé jusqu’à présent. Malheureusement, à plus haute énergie, ses équations ne tiennent plus la route.

C’est pourquoi des théoricien-ne-s ont développé la  supersymétrie  (ou SUSY pour les intimes) qui englobe le modèle standard mais va plus loin. Ce qui est vraiment remarquable, c’est que cette nouvelle théorie élaborée pour corriger les défauts du modèle standard prédit l’existence de particules ayant les caractéristiques de la matière sombre, d’où sa grande popularité.

Tout serait parfait, sauf qu’aucune des nombreuses particules supersymétriques postulées n’a encore été détectée. Est-ce simplement parce que ces particules sont hors de la portée actuelle du LHC ? Nous aurons plus de chances de les découvrir après son redémarrage en 2015 à bien plus haute énergie.

La plus légère des particules supersymétriques
Dans le LHC, les protons entrent en collision, produisant de grandes quantités d’énergie. Puisque l’énergie, E, et la masse, m, sont deux formes d’une même essence comme le stipule la célèbre E = mc2, l’énergie peut se matérialiser en nouvelles particules. Les particules lourdes sont instables et se désintègrent rapidement en plus légères.

Certaines variantes de SUSY prédisent que toutes les particules supersymétriques doivent se désintégrer en d’autres particules supersymétriques. Suivant cette assomption, la particule supersymétrique la plus légère ne peut pas se désintégrer et reste stable, incapable d’interagir avec quoi que ce soit d’autre, exactement comme on s’y attend pour la matière sombre.
sqark-cascade

Voici une chaîne de désintégration typique. Un quark supersymétrique se désintègre en une autre particule supersymétrique, χ2, et en un quark ordinaire, q. Lors des deux étapes suivantes, un électron ou muon (notés l+ and l) et des particules supersymétriques plus légères sont produites. La plus légère, dans ce cas particulier une particule appelée neutralino, χ1 ne peut se désintégrer en quoi que ce soit d’autre et s’échappe du détecteur sans laisser de trace.

Voir l’invisible
Un événement est un cliché révélant toutes les particules plus légères émises lors des désintégrations de particules instables. Pour chaque évènement, l’énergie doit être balancée. Ainsi, même lorsqu’une particule traverse le détecteur en ne laissant aucun signal, elle peut être détectée grâce au déséquilibre de l’énergie de cet événement. On détecte donc les particules supersymétriques les plus légères et invisibles de cette façon.

Les collaborations CMS et ATLAS cherchent donc des événements ayant un fort déséquilibre en énergie accompagné soit d’un unique photon soit d’un jet (une gerbe de particules constituées de quarks).

MET-photon-ATLAS

Ci-dessus, on voit un événement capté par l’expérience ATLAS contenant un seul photon (le dépôt d’énergie indiqué en jaune vers 4 heures à gauche et aussi à droite) et l’énergie manquante représentée par la ligne pointillée rose vers 10 heures.

C’est exactement ce à quoi un événement contenant la particule supersymétrique la plus légère et un photon ressemblerait. Mais un événement contenant un boson Z et un photon a la même allure quand le boson Z se désintègre en deux neutrinos (autres particules qui n’interagissent pas avec le détecteur).

Malheureusement, jusqu’à présent, pour les multiples scénarios étudiés, rien n’a été trouvé sauf le bruit de fond attendu, c’est à dire tous les autres types d’événements connus ayant la même signature.

Contrairement aux recherches directes de matière sombre, les analyses du LHC sont sensibles aux particules de matière sombre même légères. Rappelez-vous le diagramme très fouillis que j’ai montré sur les recherches directes de matière sombre? CMS et ATLAS peuvent aider à clarifier la situation, même si leurs résultats dépendent d’hypothèses théoriques contrairement aux recherches directes.

Voici les résultats de l’expérience CMS pour les recherches d’évènements contenant un seul jet et de l’énergie manquante. L’axe horizontal donne la masse du candidat de matière sombre et l’axe vertical, le taux d’interaction avec la matière ordinaire. Toutes les valeurs au-dessus des différentes courbes sont exclues. CMS (ligne rouge) exclue les particules de matière sombre légère ayant un taux d’interaction élevé, une région inaccessible à XENON100 (courbe bleue), l’expérience la plus puissante pour la recherche directe de la matière sombre.

SpinIndependent_woScalar-CMS

Boson de Higgs et matière sombre
Une autre approche visant à trouver la matière sombre repose sur certaines théories prédisant que le boson de Higgs pourrait se désintégrer en particules de matière sombre.

inv-HiggsLes bosons de Higgs sont parfois produits avec un boson Z. Si le boson de Higgs se désintègre en matière sombre, nous verrions seulement les débris du boson Z et de l’énergie manquante pour le boson de Higgs. Les recherches en ce sens ont jusqu’ici rien révélé de plus que le bruit de fond attendu.

Des mondes parallèles
Des théoricien-ne-s ont développé une étonnante théorie de la matière sombre incorporant les idées d’une vallée cachée où deux mondes évolueraient en parallèle: notre monde avec les  particules du modèle standard et celles de la supersymétrie (bien qu’encore inconnues), et un monde complètement séparé peuplé de particules sombres comme illustré ci-dessous. Ici, chaque ligne horizontale représente une particule d’une masse donnée.

ValleeCachee

L’idée est que le LHC pourrait produire des particules supersymétriques lourdes. Ces particules se désintégreraient en cascade. La plus légère des particules de SUSY serait un “messager” capable de traverser la vallée cachée et de s’échapper dans le secteur sombre, devenant invisible pour nous.

Dans le secteur sombre, cette particule se désintégrerait en une cascade de particules sombres jusqu’à ce qu’elle atteigne la plus légère des particules supersymétriques sombres, un autre messager capable de réapparaître dans notre monde en émettant de nombreuses paires d’électrons ou de muons.

Même si cela ressemble à de la science-fiction, il s’agit bien de physique non vérifiée mais très sérieuse comme en attestent les articles cités ci-dessus.

J’étais jusqu’à tout récemment l’une des expérimentatrices et expérimentateurs à la recherche de signes de cette vallée cachée. Nous sélectionnions des événements contenant des paires regroupées d’électrons et de muons, mais n’avons rien trouvé de plus que le bruit de fond.

Les recherches continuent, là et dans de nombreux autres endroits, tout en raffinant constamment les méthodes et en essayant de nouvelles stratégies. Si la matière sombre interagit avec la matière, nous devrions la trouver.

Premier volet:     Comment sait-on que la matière sombre existe?

Deuxième volet: Comment mettre la main sur la matière sombre

Troisième volet: Cosmologie et matière sombre

Pauline Gagnon

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Après 18 années passées à bâtir l’expérience et presque deux autres à accumuler des données à bord le la Station Spatiale Internationale, la collaboration du Spectromètre Magnétique Alpha ou AMS-02 a révélé hier au CERN ses tout premiers résultats devant un auditorium plein à craquer. Le Prof. Sam Ting, prix Nobel de 1976 et porte-parole de l’expérience, n’a cependant dévoilé qu’une partie du spectre de l’énergie des positrons mesurés par AMS-02.

Les positrons sont l’antimatière des électrons. Comme on habite dans un monde où la matière domine, il n’est pas facile d’expliquer l’origine de cet excès de positrons venus de l’espace. Il existe deux hypothèses privilégiées : soit ces positrons sont émis par des pulsars, soit ils proviennent de particules de matière sombre qui s’annihilent en produisant un positron et un électron.

Pour distinguer ces deux hypothèses, il faut connaitre très exactement ce qui arrive au spectre de positrons à haute énergie. Mais comme il y en a très peu à haute énergie, il est très difficile d’obtenir un résultat précis. Or voilà la bonne nouvelle annoncée hier par la collaboration AMS : leurs données atteindront le niveau de précision requis.

 

La fraction de positrons (mesurés par rapport au nombre total d’électrons et de positrons) capturée par AMS-02 en fonction de l’énergie des positrons est indiquée en rouge. Les barres verticales représentent la marge d’incertitude. La partie la plus importante de ce spectre se trouve à haute énergie, au-delà de 100 (ou 102) GeV. Là où les résultats de deux expériences précédentes sont aussi indiqués : en vert, ceux de Fermi et en bleu, ceux de PAMELA. Remarquez que la précision d’AMS-02 dépasse largement celle des expériences précédentes. Le spectre va aussi beaucoup plus haut en énergie. Reste à savoir si cette courbe chutera abruptement à plus haute énergie (signe que les positrons viendraient de matière sombre) ou pas (si les pulsars en sont la source). La collaboration attend d’avoir accumulé plus de données avant de se prononcer.

Seule la première partie de l’histoire a été dévoilée hier. Les données actuelles laissent déjà présager de ce qu’AMS-02 pourra accomplir. C’était la bonne nouvelle communiquée hier: AMS-02 devrait pouvoir mesurer le spectre des positrons à haute énergie avec suffisamment de précision pour trancher sur leur origine.

Mais pour la fin de l’histoire, il faudra encore patienter. Les données à haute énergie révèleront si ces positrons viennent de l’annihilation de particules de matière sombre, ou simplement de vulgaires pulsars. Combien de temps faudra-t-il encore attendre ? Le Prof. Ting n’a pas voulu le préciser. Peu importe, la communauté scientifique patientera en attendant que la collaboration AMS-02 ait suffisamment de données pour obtenir la précision nécessaire.

Si AMS-02 peut prouver que ces positrons viennent de la matière sombre, les conséquences seraient alors aussi époustouflantes que la découverte d’un nouveau continent. A l’heure actuelle, tout ce que l’on sait, c’est que cette matière  sombre correspond à 26.8% du contenu total de l’Univers. On ne la perçoit qu’à travers ses effets gravitationnels. Si AMS-02 réussi à prouver que la matière  sombre peut s’annihiler et produire des paires de positrons et d’électrons, ce serait tout simplement une révolution.

Pauline Gagnon

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