Deux expériences se rapprochent de la découverte de la composition d’une grande partie de l’univers
Les scientifiques estiment que plus d’un quart de l’univers est constitué de matière noire. Mais comme elle est composée d’une substance qui n’absorbe, ne reflète ni n’émet de lumière, la matière noire est extrêmement difficile à détecter. En fait, le Modèle Standard —la meilleure théorie scientifique sur les éléments constitutifs de l’univers et leurs interactions— reste mystérieusement silencieux sur ce sujet.
Cependant, les résultats de deux expériences pourraient apporter un nouvel éclairage : l’une en défiant les prédictions du Modèle Standard et l’autre en découvrant de potentielles particules de matière noire lorsqu’elles entrent en collision avec des atomes ordinaires.
"Les muons pourraient interagir avec des particules sombres ou d’autres formes d’énergie actuellement inconnues de la science."
Muons vacillants
L’expérience Muon g-2, menée au Laboratoire national des accélérateurs Fermi, ou Fermilab, a trouvé de nouvelles preuves que le comportement des particules subatomiques appelées muons pourrait ne pas obéir aux prédictions du Modèle Standard.
Un muon est semblable à un électron, mais environ 200 fois plus massif. De plus, comme un électron, un muon se comporte comme s’il possédait un aimant interne. Lorsqu’il traverse un champ magnétique, le muon tourne et oscille comme l’axe d’une toupie en rotation.
Dans l’expérience Muon g-2, les muons circulent encore et encore autour d’un anneau de 50 pieds de diamètre — une sorte de piste magnétique. Lorsqu’ils se déplacent dans le champ magnétique, leurs oscillations peuvent être mesurées avec précision. Ces résultats sont comparés aux valeurs prévues. L’expérience a confirmé un écart type de 4,2 par rapport aux prédictions du Modèle Standard. Cette divergence pourrait signifier que le muon interagit avec des particules ou d’autres formes d’énergie encore inconnues de la science, une découverte pouvant ouvrir une fenêtre plus large sur des mystères cosmiques comme la matière noire.
Découverte par déviation
Au Laboratoire national du Gran Sasso en Italie, l’expérience XENONnT recherche des particules sombres en détectant les éclairs de lumière qu’elles peuvent produire lorsqu’elles sont déviées par des atomes de xénon.
L’expérience utilise plus de huit tonnes de xénon à l’état liquide. Si une particule sombre entre en collision avec le xénon, elle libère un électron. Cet événement crée un éclat de lumière qui peut être détecté par un ensemble de photomultiplicateurs entourant le récipient liquide. Les instruments peuvent détecter même un seul photon libéré par la déviation d’une particule sombre.
Les chercheurs utilisent la déviation des particules pour rechercher des particules massives faiblement interactives, ou WIMPs. Malheureusement, aucune n’a encore été découverte, mais l’avantage peut résider à la fois dans l’élimination des candidats à particules sombres et dans leur découverte réelle.
“On commence à se gratter la tête et à se demander si l’on n’a pas misé sur le mauvais cheval”, a déclaré le physicien Rafael Lang dans Scientific American à propos de la recherche des WIMPs. Mais il reste optimiste. “Si vous croyiez aux WIMPs il y a 10 ans, seule la moitié de ces WIMPs a été écartée. L’autre moitié est toujours là.”
Autres possibilités
Les WIMPs et les forces à l’origine des oscillations des muons ne sont que deux possibilités de particules sombres. Selon Scientific American, d’autres incluent une particule théorique appelée axion. La matière noire pourrait également être composée de particules composites. Une autre possibilité est qu’elle ne soit pas constituée de particules du tout, mais de trous noirs. Quelles que soient les réponses, les expériences Muon g-2, XENONnT et similaires continueront à contribuer à la recherche de cette matière mystérieuse.
Mark Miller est rédacteur de contenu chez Thermo Fisher Scientific.
Références
1. Moskowitz, C. (2021, April 1). Dark Matter’s Last Stand. Scientific American. https://www.scientificamerican.com/article/dark-matters-last-stand
Ce contenu s’est inspiré, en partie, de “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 ; et “Dark Matter’s Last Stand,” Scientific American.