Cette image de NGC 1275 est une composition réunissant des données captées en lumière visible « Hubble », en rayon X « Chandra » et en onde radio « VLA (NRAO) ». © Marie-Lou Gendron-Marsolais (université de Montréal), Julie Hlavacek-Larrondo (université de Montréal), Maxime Pivin Lapointe, CC by-sa 4.0
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La théorie des supercordes testée dans un amas de galaxies

ActualitéClassé sous :astrophysique , théorie des cordes , Abell 426

Plusieurs des solutions de la théorie des supercordes pouvant peut-être unifier les particules de la physique contiennent des particules similaires que l'on rassemble dans la classe dite des axions. Dans certains cas, ces particules peuvent modifier le rayonnement X normalement attendu dans les amas de galaxies. On a ainsi posé de nouvelles contraintes sur la théorie des supercordes et les axions.

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Presque 50 ans ont été nécessaires pour faire la découverte du boson de Brout-Englert-Higgs et on s'attendait à faire la découverte des particules de matière noire jusqu'à présent indispensable en cosmologie pour faire naître les galaxies avant 2010. Il n'en est rien pour le moment et les deux classes de particules le plus souvent postulées pour rendre compte de la matière noire, à savoir les particules supersymétriques et les axions font toujours l'objet de recherches dans les laboratoires terrestres. Mais pas seulement.

En effet, le cosmos lui-même est un immense laboratoire pour le domaine des astroparticules et il a mené il y a plus de 13,7 milliards d'années la plus puissante expérience de physique des hautes énergies, à savoir le Big Bang lui-même. Aujourd'hui, un groupe d'astrophysiciens a récemment fait savoir via un article publié dans The Astrophysical Journal et disponible sur arXiv qu'ils avaient tenté de mettre en évidence la présence d'axions dans un célèbre amas de galaxies, Abell 426, plus connu sous le nom de l'amas de Persée qui, comme son nom l'indique, est situé dans la constellation de Persée à environ 250 millions d'années-lumière de la Voie lactée.

Abell 426 est le plus brillant amas de galaxies dans le domaine des rayons X et pour cette raison il a fait l'objet de nombreuses études à l'aide du satellite Chandra. Le rayonnement X provient de l'émission thermique du plasma qui se concentre au centre de l'amas proche duquel on trouve la radiogalaxie NGC 1275 (Caldwell 24), une galaxie lenticulaire géante qui est aussi une galaxie active de type Seyfert 2. Elle contient donc un trou noir supermassif.

Le prix Nobel de physique Frank Wilczek. Sa citation, à droite, signifie : « Si vous ne faites pas d'erreurs, c'est que vous ne travaillez pas sur des problèmes assez durs. Et ça, c'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. © Justin Knight Photography

On sait qu'il existe des champs magnétiques dans les amas de galaxies et il se trouve que cela est très intéressant lorsque l'on connaît les propriétés de plusieurs théories décrivant des modèles d'axions. Les premiers sont issus, comme on va l'expliquer plus loin, d'une extension simple du fameux Modèle standard de la physique des particules. Mais des particules qui se comportent comme les axions de ce modèle sont aussi souvent présentes dans les solutions de la théorie des supercordes, qui pourraient décrire toutes les forces et toutes les formes de matière de l'Univers observable.

Les amas galactiques, des usines à axions ?

Les astrophysiciens des particules ont donc fini par comprendre que le rayonnement intense en rayons X de l'amas de Persée joint à la présence de champs magnétiques pouvait permettre, peut-être, de mettre en évidence la nature d'une partie au moins de son contenu en matière noire (celle-ci est peut-être constituée de particules de différentes natures mais relevant toujours d'une physique au-delà du Modèle standard) et plus précisément de poser des bornes sur les modèles d'axions de la théorie des cordes. Voici comment.

Il se trouve que tous ces modèles prédisent que des photons plongés dans un champ magnétique peuvent se convertir en axions, des bosons scalaires comme celui de Brout-Englert-Higgs, avec une probabilité qui dépend du couplage entre le champ d'axions et le champ électromagnétique. C'est un peu comme si on avait un effet de frottement entre deux solides, plus le coefficient de frottement est élevé entre les deux solides, plus leur mouvement va dissiper de la chaleur.

Pour rechercher des signes de la conversion des photons X en axions, les chercheurs ont analysé les observations s'étendant sur cinq jours, faites par Chandra, concernant le rayonnement X provenant de la matière tombant vers le trou noir supermassif de NGC 1275. Ce rayonnement a un spectre connu mais si le processus de conversion existe, ce spectre va être dégradé d'une façon bien spécifique.

Un schéma illustrant la méthode pour tenter de découvrir des axions dans un amas de galaxies. En gris, les lignes de champs magnétiques dans lesquelles se propagent des rayons X énergétiques à courtes longueurs d'onde (bleus) et des rayons X moins énergétiques avec des longueurs d'onde plus longues (rouges). Les plus énergétiques donnent des axions (jaunes) qui se retransforment en photons X, en dessous d'une certaine énergie, les axions ne redeviennent pas des photons et le spectre initial en rayons X est donc appauvri, distordu, aux basses énergies. © Amanda Smith/Institute of Astronomy/University of Cambridge

Aucune trace de la distorsion du spectre n'a finalement été trouvée mais cela ne veut pas dire que des axions de la théorie des supercordes ne sont pas présents, seulement que certaines des valeurs des paramètres décrivant ces particules sont exclues. Ainsi en est-il maintenant de la plupart des modèles de particules de type axion dans la gamme de masse en dessous d'environ un millionième de milliardième de masse d'un électron. Les contraintes sont également devenues 100 fois plus précises par rapport à celles obtenues dans des expériences sur Terre, comme Cast au Cern. Les probabilités de conversion des photons en axions peuvent aussi être plus faibles que ce que l'on imaginait jusqu'à présent.

Tout, tout, tout vous saurez tout sur les axions

Pour ceux qui voudraient en savoir un peu plus sur les axions, voici quelques informations supplémentaires déjà abordées dans des articles de Futura dédiés à la chasse à ces hypothétiques particules. Expliquons d'abord comment et pourquoi on les a postulées.

Le Modèle standard des particules élémentaires prédit une valeur très faible du moment électrique dipolaire de l'électron, si menue qu'elle n'est pas encore à la portée des expériences destinées à la mesurer. Certaines théories au-delà du modèle standard prédisent par contre une valeur plus importante, et c'est pourquoi la quête de la mesure du moment électrique dipolaire de l'électron est une voie de recherche possible pour découvrir de la nouvelle physique. À l'inverse, le modèle standard, plus précisément les équations de la QCD, la théorie des forces nucléaires fortes, autorise une valeur très élevée pour le moment dipolaire du neutron, en contradiction avec les expériences qui ne lui en attribuent aucun. Pour expliquer ce résultat, on a d'abord supposé que l'un des quarks du modèle standard avait une masse nulle. Mais là aussi, les expériences ont exclu cette possibilité. L'explication la plus couramment admise aujourd'hui fait de nouveau intervenir de la nouvelle physique.

En 1977, Roberto Peccei et Helen Quinn ont émis l'hypothèse que le terme dans les équations du modèle standard, responsable de l'apparition d'un moment dipolaire pour le neutron, était rendu nul par l'existence d'un nouveau champ scalaire. Ce terme était aussi responsable de phénomènes violant la symétrie CP dans le cadre de la chromodynamique quantique qui, là non plus, n'étaient pas observés expérimentalement. Comme ces deux prédictions fausses du modèle standard « entachaient » celui-ci, le prix Nobel de physique Frank Wilczek a donné le nom d'axion à la particule associée au champ scalaire de Peccei et Quinn, en référence à une marque de lessive.

Helen Quinn, née en 1943, est une physicienne des particules, américaine d'origine australienne, dont les contributions à la recherche d'une théorie unifiée pour les trois types d'interactions de particules ont été reconnus par plusieurs distinctions, dont la médaille Dirac. Elle est surtout célèbre pour ses travaux concernant la chromodynamique quantique, la QCD. © Lubos Motl, DP

L'axion et l'effet Primakoff

Au cours des années, l'intérêt pour cette nouvelle particule n'a fait que croître lorsque l'on s'est rendu compte qu'elle était l'un des meilleurs candidats au titre de particule de matière noire. En effet, l'axion est une particule neutre, peu massive et qui interagit très peu avec la matière. On a tenté de le détecter sur Terre en utilisant ce qu'on appelle l'effet Primakoff, originellement découvert avec une autre particule d'un champ scalaire, le pion. Appliqué à l'axion, l'effet Primakoff implique que lorsqu'un champ magnétique est suffisamment fort, des photons assez énergétiques peuvent être convertis en axions et inversement. Une idée proposée pour les produire et les détecter a donc été 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 !

Mais jusqu'à présent aucune des expériences menées sur Terre sur ce principe n'a révélé l'existence des axions.

  • Des astrophysiciens ont utilisé Chandra pour effectuer un test de théorie des cordes, une possible « théorie de tout » qui relierait toute la physique connue.
  • Les chercheurs recherchaient un type de particule appelé « axion » et d'autres particules similaires qui peuvent rendre compte de la matière noire.
  • Les amas de galaxies avec leurs champs magnétiques puissants et leur émission de rayons X peuvent être d'excellents endroits pour rechercher des preuves de l'existence des axions.

    L'équipe a examiné l'amas de la galaxie Persée pendant plus de cinq jours avec Chandra, mais n'a trouvé aucun signal de particules de type axion. Ce qui ne veut pas dire qu'elles n'existent pas mais que certaines de leurs caractéristiques, comme des valeurs possibles de masse, sont exclues.
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