Konstantin Zioutas et Giovanni Cantatore, porte-parole de l'expérience Cast, ont participé à cette expérience censée détecter des particules exotiques émises par le trou noir situé au centre de notre galaxie. © Maximilien Brice, Cern

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La matière noire chassée grâce à un alignement Terre-Soleil-trou noir supermassif

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Les physiciens du Cern chassent les particules de matière noire nommées axions autrement qu'avec le LHC en profitant d'un alignement astronomique annuel du Soleil, de la Terre et de Sagittarius A*, le trou supermassif au centre de notre Voie lactée. Ils ont même profité de l'occasion pour chercher d'autres particules, liées à l'énergie noire.

Alors que Ligo est reparti à la chasse aux ondes gravitationnelles produites par la fusion de trous noirs stellaires ou aux collisions d'étoiles à neutrons, le « Télescope solaire à axions » du Cern (Cast) est, lui, parti à la chasse à la matière noire et à l'énergie noire en profitant d'un événement astronomique survenu le 18 décembre 2016. À cette date, la Terre, le Soleil et le trou noir supermassif central de notre Voie lactée sont alignés et on peut alors bénéficier d'une prédiction de la théorie de la relativité générale d'Einstein : l'effet de lentille gravitationnelle.

Parmi les candidats les plus sérieux au titre de particules de matière noire figure l'axion. Ces dernières années, l'existence de particules cousines, pouvant quant à elles expliquer la nature de l'énergie noire, a également été proposée par les spécialistes des astroparticules. Ils les ont appelées particules caméléons. Axions et caméléons sont susceptibles de se manifester via un équivalent de l'effet Primakoff (voir l'article ci-dessous). Ces particules peuvent naître à partir de photons dans un champ magnétique et, inversement, s'y désintégrer en donnant de la lumière.

Vidéo en accéléré du télescope Cast suivant la course du Soleil le matin et le soir. © Madalin-Mihai Rosu/Cern

Une lentille gravitationnelle qui amplifie un milliard de fois

Les axions et les caméléons, s'ils existent, pourraient être produits en grandes quantités dans l'environnement des trous noirs supermassifs comme Sagittarius A*, au centre de notre Galaxie. Les calculs montrent que notre Soleil, avec son champ de gravité, pourrait agir comme une loupe, concentrant et amplifiant un milliard de fois le flux d'axions ou de caméléons en provenance de cet astre compact. Lors d'un tel alignement, un instrument comme Cast devrait donc les détecter. Mais la mesure n'est pas si facile car le Soleil est déjà censé produire des axions et c'est justement ce flux que doit mesurer Cast. Il faut donc trouver une caractéristique permettant de distinguer les deux sources.

La logique de la détection reste à peu de chose près la même. Cast est en effet un prototype des aimants dipolaires développés à l'origine pour le LHC. Dans son champ magnétique, le flux hypothétique d'axions ou de caméléons amplifié par le Soleil devrait produire un flux de rayons X bien caractéristique lui aussi. Les chercheurs se sont également proposés de tenter de détecter l'interaction directe des particules caméléons avec la matière. L'entreprise est difficile car les forces exercées sont très faibles et c'est pourquoi il a fallu construire un détecteur spécial, un capteur de force optomécanique baptisé KWISP (pour Kinetic Weakly Interacting Slim Particle detector).

L'expérience Cast a commencé à analyser les données récoltées le 18 décembre. Les premiers résultats suggèrent toutefois que les chercheurs ne sont pas parvenus à observer de nouvelles particules provenant du trou noir. L'équipe va maintenant commencer à se préparer pour l'alignement de l'année prochaine, qui comprendra aussi la Lune.

Selon Konstantin Zioutas, porte-parole de l'expérience, « l'expérience s'est très bien déroulée et les discussions à propos des premières données en ligne ont déjà commencé ». Il semble toutefois que les premiers résultats soient négatifs. Les chercheurs ne sont pas découragés pour autant et lors d'un prochain alignement en 2017, la Lune devrait aussi entrer dans la danse.

Pour en savoir plus

Observer les quasars à travers le Soleil !

Article de Laurent Sacco publié le 23/06/2007

Malcolm Fairbairn, un physicien du CERN, vient de proposer d'observer la lumière en provenance des quasars... à travers le Soleil ! Ni lui ni ses collègues Russe et Allemand n'ont perdu la tête en publiant un article dans lequel ils étudient la possibilité de détecter des rayons gamma, très énergétiques, à travers le Soleil avec l'aide du satellite Fermi. Notre étoile pourrait en effet être transparente pour ce type de rayonnement, si l'hypothétique particule proposée par le Prix Nobel Franck Wilczek, l'axion, fait bien partie du zoo des particules élémentaires.

Rappelons que l'axion est une particule très légère, se couplant faiblement avec la matière, qui a été proposée dans les années 70 pour résoudre certains problèmes phénoménologiques dans la théorie des interactions fortes, la QCD. C'est un bon candidat au titre de composante importante de la matière noire, mais ses implications dans les domaines des astroparticules sont aussi nombreuses. Les scientifiques sont partis à sa chasse depuis longtemps déjà et notre Soleil lui-même devrait en produire de façon importante.

Lorsqu'un champ magnétique est suffisamment fort, un photon assez énergétique peut être converti en axion et inversement. Une idée proposée pour les produire et les détecter est d'envoyer un rayon laser dans une zone où règne un fort champ magnétique juste devant un mur. Une partie des photons se changerait alors en axions qui, du fait de leur faible couplage avec la matière, traverseront le mur sans aucun problème pour pénétrer juste après dans une seconde région possédant, elle aussi, un champ magnétique intense. Un processus de conversion inverse se produirait et le laser éclairerait donc une zone située derrière le mur !

Plus généralement, un faisceau laser passant dans un champ magnétique verrait certaines de ses caractéristiques altérées. Ainsi, dans le cadre de l'expérience PVLAS en Italie, une modification de la polarisation des photons émis par une source laser a été détectée. Cette expérience est en accord avec les prédictions donnant une certaine constante de couplage de l'axion avec le champ électromagnétique. Le problème est que, si l'on admet bien l'existence de cette particule avec ce couplage, on entre en conflit avec les données sur la matière noire. Si cette dernière était vraiment composée de cette particule, elle se couplerait avec la matière ordinaire beaucoup plus fortement que ce qui est observé. Pire, le télescope à axions Cast, du Cern, aurait dû détecter ceux en provenance du Soleil depuis longtemps !

L'effet Primakoff de conversion d'un photon en pion dans le champ électromagnétique d'un noyau suivie de la désintégration du pion neutre en deux photons. Un processus similaire existe avec le même nom et où l'axion remplace le pion. © David Lawrence

Le principe de l'expérience est le même que celui indiqué précédemment. Il y a 15 ans, à Brookhaven, le physicien Pierre Sikivie avait déjà proposé d'utiliser l'effet Primakoff de conversion des photons en axions, par diffusion dans le champ magnétique du plasma solaire, en sens inverse. Dans le cadre d'une expérience terrestre utilisant le champ magnétique produit par un électro-aimant puissant, des photons X seraient produits à partir des axions solaires. Rien n'a été observé par Fermi, en contradiction avec le taux de conversion prédit à partir des données de PVLAS. Donc, une des expériences est probablement fausse dans l'hypothèse où les axions soient bien une réalité.

Un moyen de trancher est alors d'observer les photons gamma très énergétiques en provenance d'un quasar situé à 4 milliards d'années-lumière du Soleil, 3C279. En pénétrant à l'intérieur du Soleil ces photons seront convertis en partie en axions qui pourront traverser notre étoile et se retransformer en photons gamma à sa sortie. Lors de l'occultation de ce quasar par le Soleil, quelques photons gamma, que le Soleil produit rarement de façon énergétique, pourront alors être détectés par le satellite Fermi qui sera bientôt lancé.

Malcolm Fairbairn a déjà effectué ce test à partir des données concernant 3C279 enregistrées en 1991 par EGRET. Malheureusement, celles-ci sont trop pauvres pour aboutir à une conclusion dans un sens ou un autre. Le prochain alignement entre la Terre, le Soleil et 3C279 est prévu pour Octobre 2007.

Fermi sera encore au sol mais les télescopes à rayons gamma en orbite seront peut être suffisamment sensibles pour aboutir à une conclusion ferme. A moins que l'expérience ALPS, du laboratoire DESY à Hambourg et conçue pour vérifier PVLAS, ne tranche déjà la question pendant cet été !

Images de galaxies avec un quasar en leur centre. © Nasa

Interview : un trou noir pourrait-il entrer en collision avec la Terre ?  Un trou noir est une région de l’espace dont rien ne peut s'échapper, pas même la lumière. Il est donc naturel de se demander si ce type d’objet pourrait être une menace pour notre planète. Futura-Sciences a interviewé Jean-Pierre Luminet, astrophysicien de renom, qui nous répond ici en vidéo.