Gyles Lewis
0 
2538
23
Environ 80% de toute la matière du cosmos est d'une forme totalement inconnue de la physique actuelle. Nous l'appelons matière noire, car du mieux que nous pouvons dire, c'est… sombre. Des expériences dans le monde entier tentent de capturer une particule de matière noire égarée dans l'espoir de la comprendre, mais jusqu'à présent, elles sont restées vides..
Récemment, une équipe de théoriciens a proposé une nouvelle façon de chasser la matière noire en utilisant d'étranges «particules» appelées magnons, un nom que je n'ai pas simplement inventé. Ces minuscules ondulations pourraient attirer même une particule de matière noire légère et éphémère hors de sa cachette, disent ces théoriciens. [Les 11 plus grandes questions sans réponse sur la matière sombre]
Le puzzle de la matière noire
Nous savons toutes sortes de choses sur la matière noire, à l'exception notable de ce qu'elle est.
Même si nous ne pouvons pas le détecter directement, nous voyons les preuves de la matière noire dès que nous ouvrons nos télescopes à l'univers plus large. La première révélation, dans les années 1930, est venue d'observations d'amas de galaxies, certaines des plus grandes structures de l'univers. Les galaxies qui les habitaient se déplaçaient simplement trop rapidement pour être maintenues ensemble comme un amas. C'est parce que la masse collective des galaxies donne la colle gravitationnelle qui maintient l'amas ensemble - plus la masse est grande, plus cette colle est forte. Une colle ultra-forte peut maintenir ensemble même les galaxies les plus rapides. Plus vite et le cluster se déchirerait simplement.
Mais là, les amas existaient, avec des galaxies qui bourdonnaient en eux beaucoup plus vite qu'elles ne le devraient compte tenu de la masse de l'amas. Quelque chose avait suffisamment de prise gravitationnelle pour maintenir les amas ensemble, mais que quelque chose n'émettait pas ou n'interagissait pas avec la lumière.
Ce mystère est resté non résolu au fil des décennies, et dans les années 1970, l'astronome Vera Rubin a considérablement augmenté la mise en observant les étoiles dans les galaxies. Une fois de plus, les choses allaient trop vite: compte tenu de leur masse observée, les galaxies de notre univers auraient dû se séparer il y a des milliards d'années. Quelque chose les tenait ensemble. Quelque chose d'invisible. [11 faits fascinants sur notre galaxie de la Voie lactée]
L'histoire se répète dans tout le cosmos, à la fois dans le temps et dans l'espace. De la première lumière du Big Bang aux plus grandes structures de l'univers, quelque chose de funky est là-bas.
Recherche dans le noir
La matière noire est donc bien présente - nous ne pouvons tout simplement pas trouver d'autre hypothèse viable pour expliquer le tsunami de données à l'appui de son existence. Mais qu'est-ce que c'est? Notre meilleure hypothèse est que la matière noire est une sorte de nouvelle particule exotique, jusqu'ici inconnue de la physique. Sur cette image, la matière noire inonde toutes les galaxies. En fait, la partie visible d'une galaxie, vue à travers les étoiles et les nuages de gaz et de poussière, n'est qu'un minuscule phare posé sur un rivage beaucoup plus grand et plus sombre. Chaque galaxie se trouve dans un grand "halo" composé de zillions sur zillions de particules de matière noire.
Ces particules de matière noire coulent à travers votre pièce en ce moment. Ils vous traversent. Une douche de pluie sans fin composée de minuscules particules de matière noire invisibles. Mais vous ne les remarquez tout simplement pas. Ils n'interagissent pas avec la lumière ou avec des particules chargées. Vous êtes fait de particules chargées et vous êtes très amical avec la lumière; vous êtes invisible à la matière noire et la matière noire vous est invisible. La seule façon dont nous "voyons" la matière noire est à travers la force gravitationnelle; la gravité remarque toutes les formes de matière et d'énergie dans l'univers, sombre ou non, donc aux plus grandes échelles, on observe l'influence de la masse combinée de toutes ces innombrables particules. Mais ici dans ta chambre? Rien.
À moins que, nous l'espérons, il existe une autre façon dont la matière noire interagit avec nous, la matière normale. Il est possible que la particule de matière noire, quoi qu'il en soit, ressent également la faible force nucléaire - responsable de la désintégration radioactive - ouvrant une nouvelle fenêtre sur ce royaume caché. Imaginez construire un détecteur géant, juste une grande masse de tout élément que vous avez sous la main. Les particules de matière noire le traversent, presque toutes de manière totalement inoffensive. Mais parfois, avec une rareté dépendant du modèle particulier de matière noire, la particule qui passe interagit avec l'un des noyaux atomiques des éléments dans le détecteur via la force nucléaire faible, le faisant tomber hors de propos et rendant toute la masse du détecteur trembler.
Entrez le magnon
Cette configuration expérimentale ne fonctionne que si la particule de matière noire est relativement lourde, ce qui lui donne suffisamment de punch pour assommer un noyau dans l'une de ces rares interactions. Mais jusqu'à présent, aucun des détecteurs de matière noire dans le monde n'a vu de trace d'interaction, même après des années et des années de recherche. Au fur et à mesure que les expériences avançaient, les propriétés admissibles de la matière noire ont été lentement exclues. Ce n'est pas nécessairement une mauvaise chose; nous ne savons tout simplement pas de quoi est faite la matière noire, donc plus nous en savons sur ce qu'elle n'est pas, plus l'image de ce qu'elle pourrait être est claire.
Mais le manque de résultats peut être un peu inquiétant. Les candidats les plus lourds à la matière noire sont exclus, et si la mystérieuse particule est trop légère, elle ne sera jamais vue dans les détecteurs tels qu'ils sont installés en ce moment. Autrement dit, à moins qu'il n'y ait une autre façon dont la matière noire peut parler à la matière ordinaire.
Dans un article récent publié dans le journal en ligne preprint arXiv, des physiciens détaillent une configuration expérimentale proposée qui pourrait repérer une particule de matière noire en train de changer le spin des électrons (si, en fait, la matière noire peut le faire). Dans cette configuration, la matière noire peut potentiellement être détectée, même si la particule suspecte est très claire. Il peut le faire en créant des soi-disant magnons dans le matériau.
Imaginez que vous avez un morceau de matériau à une température de zéro absolu. Tous les spins - comme de minuscules petits aimants en barre - de tous les électrons de cette matière pointeront dans la même direction. Au fur et à mesure que vous augmentez lentement la température, certains électrons commenceront à se réveiller, à se tortiller et à pointer au hasard leurs spins dans la direction opposée. Plus vous augmentez la température, plus les électrons sont retournés - et chacun de ces retournements réduit la force magnétique d'un peu. Chacun de ces spins inversés provoque également une petite ondulation dans l'énergie du matériau, et ces ondulations peuvent être considérées comme une quasi-particule, pas une vraie particule, mais quelque chose que vous pouvez décrire avec les mathématiques de cette manière. Ces quasiparticules sont appelées «magnons», probablement parce qu'elles sont comme de minuscules petits aimants mignons.
Donc, si vous commencez avec un matériau très froid et que suffisamment de particules de matière noire frappent le matériau et inversent quelques tours, vous observerez des magnons. En raison de la sensibilité de l'expérience et de la nature des interactions, cette configuration peut détecter une particule de matière noire légère.
Autrement dit, s'il existe.
- 9 idées sur les trous noirs qui vous épateront
- Les 11 plus grandes questions sans réponse sur la matière noire
- Les 18 plus grands mystères non résolus de la physique
Paul M. Sutter est astrophysicien à Université d'État de l'Ohio, hôte de Demandez à un Spaceman et Radio spatiale, et auteur de Votre place dans l'univers.
Publié à l'origine le .