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Détecter la matière noire grâce à la RMN ?

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Les wisps, l'acronyme en anglais de Weakly Interacting Sub-electronVolt Particles, c'est-à-dire particules faiblement interagissantes de masses inférieures à l'électron-volt, sont des candidats potentiels au titre de particules de matière noire. L'une d'elles est l'axion, la particule proposée par le prix Nobel de physique Frank Wilczek. Une expérience utilisant le phénomène de résonance magnétique nucléaire (RMN) est partie à sa recherche.

Le prix Nobel de physique Frank Wilczek. Sa citation à droite signifie : « Si vous ne faites pas d'erreurs, c'est que vous n'êtes pas en train de travailler sur des problèmes assez durs. Et cela est une grave erreur ». Il a proposé l'existence d'une nouvelle particule, l'axion, qui constituerait peut-être une part importante de la matière noire. On pourrait la détecter à l'aide d'expériences de résonance magnétique nucléaire. © Justin Knight Photography

C'est Isidor Isaac Rabi qui a découvert le phénomène de résonance magnétique nucléaire (RMN) en 1938 et qui l'a mesuré à l'aide de la méthode des jets atomiques. Il a reçu le prix Nobel de physique en 1944 pour cette découverte fondatrice.

Mais ce sont Felix Bloch et Edward Mills Purcell (le découvreur de la fameuse raie à 21 cm de l'hydrogène), de manière indépendante, qui réalisèrent en 1946 les premières mesures du magnétisme nucléaire dans les solides. La méthode qu'ils utilisèrent est à la base des techniques actuelles de détection RMN. Ils ont tous deux reçu pour ces accomplissements le prix Nobel de physique en 1952.

La RMN, de l'imagerie médicale à la cosmologie

Grâce aux travaux de ces pionniers, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) a pu prendre son essor vers le milieu des années 1970. Elle s'est révélée être un outil puissant, sans les inconvénients des rayons X, notamment pour étudier la structure et le fonctionnement du cerveau. De nos jours, on l'utilise aussi en imagerie médicale pour examiner les muscles, le cœur et détecter des tumeurs.

Edward Mills Purcell (1912-1997) était un physicien américain. Il est surtout connu pour ses travaux sur la résonance magnétique nucléaire dans les liquides et les solides, mais il a aussi contribué à la radioastronomie. On lui doit la découverte de la raie à 21 cm de l’hydrogène. Les étudiants connaissent aussi son cours sur l’électromagnétisme, l’un des cinq tomes des cours de l’université de Berkeley, presque aussi célèbre que les cours de Feynman. © The Nobel Foundation

Les trois prix Nobel seraient sans doute surpris de l'un des derniers avatars de leur découverte : une technique pour tenter de faire la lumière sur l'existence de la matière noire. Pour l'instant, que cela soit dans les détecteurs du LHC, AMS-02 ou Coupp 60, celle-ci reste indétectée. Mais les physiciens ont encore de la ressource, comme vient de le montrer la publication sur arxiv d'un article d'un groupe de chercheurs américains.

Ces physiciens sont partis en quête des wisps, l'acronyme en anglais de Weakly Interacting Sub-electronVolt Particles, des particules faiblement interagissantes de masses inférieures à l'électron-volt. Elles ne doivent pas être confondues avec les wimps qui sont bien plus massives (en théorie du moins). Pour mémoire, la masse d'un proton est presque de un milliard d'électrons-volts et celle des quarks, les plus légers, de quelques électrons-volts. Un bon exemple de wisps est l'axion, une particule postulée par le célèbre prix Nobel Frank Wilczek.

De nouvelles forces avec les wisps

Pour comprendre en quoi consiste la pertinence de la RMN pour traquer des wisps prédites par différentes théories au-delà du modèle standard, rappelons tout d'abord que certains noyaux sont dotés d'un moment cinétique, un spin, non nul. On peut les comparer à des toupies en rotation et comme ils possèdent aussi un moment magnétique, si l'on plonge ces noyaux dans un champ magnétique, il peut se produire le phénomène de résonance magnétique nucléaire. Le champ magnétique est formé d'une composante statique selon un axe, et d'une petite composante oscillante perpendiculaire à cet axe. À une fréquence d'oscillation donnée, dite fréquence de Larmor, les noyaux vont se mettre à effectuer un mouvement de précession autour de l'axe à la façon d'une toupie.

Dans l'expérience faite par les chercheurs américains, deux isotopes du xénon, précisément des noyaux de 129Xe et 131Xe, sont plongés dans un champ magnétique pour faire de la RMN. Si l'axion ou d'autres wisps existent, on peut montrer que de nouvelles forces existeraient aussi entre les particules, de telle sorte qu'un bloc de matière à proximité des noyaux des isotopes de xénon à l'état gazeux les affecterait dans l'expérience. Les deux isotopes de xénon auraient des fréquences de précession différentes et éventuellement mesurables plus facilement qu'avec d'autres noyaux.

Les résultats de l'expérience ont été négatifs. Pas complètement cependant, puisqu'ils ont permis de poser les contraintes les plus précises à ce jour sur les propriétés de certaines wisps comme l'axion. Les progrès par rapport à des mesures précédentes dans d'autres expériences consistent en une amélioration de la précision des mesures de deux ordres de grandeur (un facteur 100). Les chercheurs pensent pouvoir faire encore mieux avec la RMN dans un avenir proche et gagner au moins deux autres ordres de grandeur.