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Une particule caméléon pour expliquer l'énergie noire

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Particule hypothétique, l'axion constitue peut-être une partie de la matière noire. Une autre particule hypothétique, lui ressemblant beaucoup, dont la masse et l'effet sur les particules de matière normale pourraient varier en fonction de la densité de matière, pourrait, elle, expliquer l'énergie noire. Une expérience du Fermilab chasse cette particule caméléon...

Un schéma de l'histoire de l'Univers avec une expansion qui s'accélère. Crédit : Nasa/STSci/Ann Feild

La nature de l'énergie noire accélérant l'Univers est toujours inconnue, même si l'on a de bonnes raisons de penser qu'il s'agit d'une véritable constante cosmologique. Pour un théoricien, l'énergie noire pose de redoutables défis mais elle représente aussi l'espoir d'obtenir des informations sur une physique au-delà du modèle standard qui restera peut-être à tout jamais inaccessible en accélérateur. Plusieurs modèles issus de la théorie des cordes conduisent à des prédictions sur la nature de l'énergie noire.

Sans aller jusqu'à faire intervenir directement cette théorie mythique, les astrophysiciens théoriciens proposent différentes théories phénoménologiques pour tenter de faire la lumière sur l'énergie noire. L'une d'elles est particulièrement intéressante car elle conduit à des prédictions qui peuvent être testées en laboratoire.

L'idée proposée par Justin Khoury et Amanda Weltman en 2003 est simple mais subtile. Rappelons que l'énergie noire ne semble se manifester qu'à des distances énormes, au niveau des amas de galaxies, et qu'elle accélère l'expansion de l'Univers. Elle se comporte donc comme une sorte d'anti-gravité. On peut raisonnablement se demander si ses effets ne sont pas perceptibles à l'échelle du système solaire, dont on rendrait compte par des extensions de la théorie de la relativité générale comme celles faisant intervenir un champ scalaire. Malheureusement, il y a des bornes issues des observations dans le système solaire et avec les pulsars binaires émettant des ondes gravitationnelles qui contraignent fortement l'existence d'un champ scalaire associé à la gravitation.

Certaines des théories avec champ scalaire induisent aussi des modifications dans le temps et dans l'espace de la constante de structure fine, la constante de couplage intervenant dans les processus électromagnétique décrit par la QED. Il y a eu quelques annonces suggérant des valeurs différentes de cette constante au début de l'histoire de l'Univers mais jusqu'à présent, les observations réalisées par exemple au niveau des quasars restent non concluantes.

Toutefois, de la même façon qu'il a fallu se rendre compte que les neutrinos pouvaient osciller et changer de masse, il se pourrait que la masse et la constante de couplage avec la matière, la gravitation et le champ électromagnétique d'une particule décrite par un champ scalaire, dépendent de la densité de matière du lieu où elle interagit.

Amanda Weltman. Crédit : African Summer Theory Institute (ASTI)

Des photons peuvent-ils devenir des camélons ?

Selon  Khoury et Weltman, on pourrait imaginer que la particule soit massive et avec un couplage très faible au niveau du système solaire et des galaxies, mais au contraire légère et avec un couplage fort au niveau des amas de galaxies, là où la densité de matière est beaucoup plus faible. Ceci permettrait alors de réconcilier les observations. S'adaptant selon son environnement, une telle particule a donc tout naturellement été nommée une particule caméléon.

Bien sûr, cette explication, de prime abord, évoque fortement un épicycle à la Ptolémée. Mais elle ne l'est guère plus que l'introduction de l'oscillation des neutrinos pour expliquer le problème du déficit en neutrinos solaire ou bien la découverte de la liberté asymptotique des quarks. Là aussi, une valeur différente de la constante de couplage en fonction de la distance entre quarks sert à expliquer pourquoi on n'observe jamais de quarks isolés.

Mais il y a mieux ! En effet, les équations proposées par Khoury et Weltman décrivent un champ scalaire qui ressemble beaucoup à un autre invoqué pour résoudre la problème de la matière noire, en l'occurrence l'axion.

On peut alors imaginer de tester la théorie avec les expériences en cours portant sur la recherche de l'axion. Cela vient d'être fait par un groupe de chercheurs travaillant au Fermilab et dirigé par Aaron Chou, en collaboration avec Amanda Weltman.

Il s'agit toujours de la technique consistant à faire passer un faisceau laser dans un lieu où règne un fort champ magnétique. En l'occurrence, en pénétrant  dans une chambre à vide aux parois massives plongée dans un champ magnétique intense, les photons du laser se convertiraient en partie en particules caméléons massives. Ce faisant, à cause de la conservation de l'énergie, elles ralentiraient fortement et resteraient un certain temps dans la chambre à vide. Or, si l'on coupe le faisceau laser mais que le champ magnétique existe toujours, les particules peuvent redevenir des photons que l'on peut détecter avec un photomultiplicateur à la sortie de la chambre à vide.

L'expérience réalisée dans le cadre de la collaboration GammeV n'a pour le moment rien donné d'autre que de poser des bornes à la masse de ces particules caméléons. Mais les chercheurs pensent pouvoir améliorer la sensibilité du dispositif en refroidissant considérablement la chambre afin de lutter contre les photons parasites du bruit thermique. Un facteur 10.000 pourrait ainsi être gagné. La chasse aux caméléons continue !