Cette photo montre la station de détection de fluorescence Middle Drum dans le vaste observatoire de rayons cosmiques du Telescope Array dans l'Utah. L'observatoire actuel comprend trois de ces stations de télescopes, qui contiennent des miroirs pour détecter de faibles éclairs bleus dans le ciel lorsqu'un rayon cosmique entrant frappe des noyaux dans l'atmosphère. Les instruments sont utilisés par des scientifiques du Japon, de l'Université de l'Utah et de plusieurs autres pays pour déterminer la source mystérieuse des particules les plus puissantes de l'univers, les rayons cosmiques à très haute énergie. © Ben Stokes, Université de l'Utah
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La matière noire est-elle faite d'antimatière avec quarks et axions ?

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[EN VIDÉO] Interview : quelles particules composent la matière noire ?  Selon les calculs et les observations, il existerait dans l'espace une grande quantité de matière invisible. Cette masse mystérieuse, baptisée matière noire, est encore aujourd'hui une énigme à laquelle se frottent de nombreux chercheurs. Dans le cadre de sa série de vidéos Questions d’experts, sur la physique et l’astrophysique, l’éditeur De Boeck a interrogé Richard Taillet, chercheur au LAPTH, afin qu'il nous en dise plus sur cette matière noire. 

Il existe de nombreuses propositions théoriques concernant les particules de matière noire. L'une d'elles fait intervenir ce que l'on appelle des pépites de quarks axioniques. Majoritairement formées d'antimatière, elles ont peut-être été détectées dans les rayons cosmiques.

Que ce soit au niveau de la vitesse de rotation de la matière visible en orbite dans les galaxies, qu'elle soit sous forme d'étoile ou de nuage d'hydrogène que l'on peut détecter et cartographier avec la fameuse raie à 21 cm ou au niveau des mouvements des amas de galaxies, tout se passe comme si des forces de gravitation plus puissantes que celles que l'on peut déduire de la présence de la matière identique à celle dont on peut faire l'expérience en laboratoire sur Terre, jusqu'à présent, étaient la cause de ces mouvements.

Les théories proposées pour prolonger la physique du modèle standard, superbement confirmé par les expériences au LHC, regorgent de nouvelles particules qui sont très peu et généralement pas du tout susceptibles d'émettre de la lumière. Ces particules auraient été produites pendant le Big Bang et seraient assez stables pour lui survivre pendant des milliards d'années au moins, de sorte qu'elles pourraient constituer des distributions de matière dite noire plus importantes que celles de la matière normale composée de protons et de neutrons dans des noyaux. Le champ de gravité de ces distributions étant dominant, on expliquerait les anomalies constatées avec les mouvements des étoiles et des galaxies.

On chasse activement et directement ces particules de matière noire en accélérateur et avec des détecteurs de rayons cosmiques enterrés depuis presque trois décennies. On en cherche des traces indirectes au sol et dans l'espace depuis presque aussi longtemps. Mais malheureusement, sans succès.

En réponse, certains ont proposé de changer les lois de la mécanique céleste dans le cadre de la théorie Mond, sans faire intervenir de nouvelles particules. D'autres se sont tournés vers des particules de matière noire de plus en plus exotiques, comme par exemple les anapoles magnétiques de Iakov Zeldovitch.

Une présentation du quagma. La première création de ce plasma de quarks et de gluons par l’Humanité a été annoncée en février 2000 par les chercheurs du Cern. L’étude de ce plasma s’est poursuivie par la suite surtout au Laboratoire national de Brookhaven aux États-Unis, en particulier avec le collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC, Relativistic Heavy Ion Collider). On le produit essentiellement en accélérant en sens inverse deux faisceaux de noyaux lourds, de cuivre ou d’or, pour les faire entrer en collision frontale. On peut faire de même au LHC avec des noyaux de plomb. Des expériences similaires concernant le quagma ont ainsi été réalisées avec le détecteur Alice. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Fermilab

Un des derniers avatars de la matière noire se trouve dans les travaux menés par le physicien Ariel Zhitnitsky de l'Université de la Colombie-Britannique (en anglais University of British Columbia, en abrégé UBC) à Vancouver. Comme l'explique le chercheur dans un article en libre accès sur arXiv, il postule l'existence de ce qu'il appelle des pépites de quarks axioniques. Ces curieux objets seraient piégés à l'intérieur de sortes de bulles constituées de particules postulées, notamment par le prix Nobel de physique Frank Wilczek, et que l'on appelle des axions. Elles font partie des candidats les plus souvent avancés pour le titre de particules de matière noire.

Surtout, alors qu'il avait postulé l'existence des pépites de quarks axioniques déjà au début des années 2000, Ariel Zhitnitsky pense maintenant que l'on a pu faire leur découverte sous la forme de signaux anormaux (mais attribués tout de même à l'occurrence dans l'atmosphère terrestre de gerbes de rayons cosmiques) dans les données collectées par le Telescope Array situé en Utah (États-Unis).

Une variation sur le thème des pépites de quarks

Faisons un peu plus connaissance avec le concept de pépites de quarks axioniques.

Il s'agit incontestablement d'une variante des théories avancées dès le début des années 1980 pour expliquer l'existence de la matière noire à partir d'amas de quarks (les constituants des nucléons des noyaux), en particulier dans les travaux datant de 1984 d’Edward Witten, le grand théoricien des supercordes et lauréat de la Médaille Fields en mathématique, qui ont conduit à postuler l'existence de pépites de quarks (quark nuggets, en anglais) ou encore des strangelets. En l'occurrence, il s'agissait d'amas de très nombreux quarks formés d'un tiers de quarks u, d'un autre de quarks d et enfin d'un dernier tiers de quarks étranges s, qui là aussi seraient stables mais positivement chargés et devraient donc s'entourer, par exemple, d'électrons pour être neutres. Witten pensait également que d'importantes quantités de strangelets pouvaient avoir été créées au tout début de l'histoire de l'Univers observable. Elles seraient des vestiges de la transition de phase ayant fait passer le quagma - le plasma de quarks et de gluons libres - à des gouttes de liquide hadronique, c'est-à-dire les protons et les neutrons lorsque l'Univers s'est suffisamment refroidi au moment du Big Bang.

Voilà pour les pépites de quarks, passons aux axions.

Pierre Brun est physicien des particules à l’Irfu et travaille à la frontière entre la physique des particules et la cosmologie. Il s’intéresse à une théorie qui postule l’existence d’une particule dénommée « axion », qui résoudrait certains problèmes liés à la violation de symétrie dans les lois de la physique de l’interaction forte. Neutre et léger et interagissant très faiblement avec la matière, l'axion a toutes les caractéristiques pour être une particule de matière noire. © CEA Sciences

Une nouvelle physique avec des axions

Le modèle standard des particules élémentaires prédit une valeur très faible du moment électrique dipolaire de l'électron (l'équivalent du moment magnétique d'une barre aimantée avec deux pôles, 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 aucune. L'explication la plus couramment admise aujourd'hui fait de nouveau intervenir de la nouvelle physique.

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

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 éliminé par l'existence d'un nouveau champ scalaire (un cousin de celui du boson de Brout-Englert-Higgs) en facteur devant ce terme, car la valeur de ce champ après le Big Bang serait devenue nulle. 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.

Des explications sur les rayons cosmiques et le télescope Array. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © PBS Space Time

De la matière noire formée d'antimatière

Les pépites de quarks axioniques d'Ariel Zhitnitsky seraient en fait formées majoritairement d'antiquarks en raison du champ d'axions et c'est aussi un moyen de comprendre, partiellement au moins, où est passée l'antimatière cosmologique. Dans le cadre du modèle standard, autant de quarks que d'antiquarks auraient dû être produits pendant le Big Bang et nous devrions voir autant d'antiprotons et d'antineutrons que de protons et de neutrons autour de nous dans les cosmos observable.

Ce n'est pas le cas, mais si une partie des antiquarks se retrouvent piégés ailleurs que dans les hadrons classiques, les perspectives changent puisque l'on pourrait avoir plus de pépites de quarks axioniques riches en antiquarks que de pépites de quarks axioniques riches en quarks. Aussi denses que les protons et les neutrons, ces pépites pourraient avoir des masses macroscopiques d'environ 10 grammes tout en mesurant moins d'un millième de millimètre de diamètre.

Selon Zhitnitsky, lorsqu'une pépite de quark axionique arrive dans l'atmosphère terrestre et qu'elle entre en interaction avec elle, elle va produire une avalanche, une gerbe de particules comme dans le cas des rayons cosmiques, heurtant les noyaux de la haute atmosphère. Or, ces particules vont produire un rayonnement de lumière bien particulier que peuvent analyser les détecteurs par scintillations du Telescope Array, un héritier de la technologie du détecteur HiRes encore appelé Œil de mouche dans le désert de l'Utah.

Mais, la gerbe de particules serait spéciale dans le cas d'une pépite de quark axionique. Composée essentiellement d'antiquarks, ceux-ci s'annihileraient avec les quarks des nucléons de l'atmosphère en présence des champs électriques intenses pouvant exister dans les nuages orageux. Des positrons, des antiparticules de l'électron, seraient alors produits puis accélérés par les champs électriques ayant libéré les antiquarks dans les pépites.

Toujours selon Zhitnitsky, en 2017, les membres de la collaboration utilisant le Telescope Array ont découvert 10 gerbes de particules qui ne se comportaient pas comme attendu en supposant qu'elles étaient issues de rayons cosmiques ordinaires car très énergétiques, avec des ordres de grandeur de cinq à six fois supérieure, et surtout en corrélation avec des éclairs.

Il est trop tôt pour parler d'une découverte, mais on peut espérer avoir une bonne surprise dans les années à venir car les observations avec le Telescope Array vont se poursuivre.

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