La présence de la matière noire dans les amas galactiques peut être déduite de l'effet de lentille gravitationnelle forte qu'elle génère, comme sur cette image prise par Hubble de l'amas Abell 1689 montrant des arcs lumineux. Il se pourrait que la lumière soit déviée, ironiquement, parce que l'amas contient des photons noirs. © Nasa
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Matière noire : le Supersynchrotron à protons redémarre la chasse aux photons noirs au Cern avec NA 64

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[EN VIDÉO] LHC : comment fonctionne le plus grand accélérateur de particules ?  À cheval entre la France et la Suisse, le Grand collisionneur de hadrons permet actuellement de faire des collisions de protons à une énergie de 13 TeV (téraélectronvolts). Découvrez le fonctionnement de cet impressionnant outil en vidéo grâce au Cern. 

Les particules de matière noire dans l'univers observable pourraient être des cousins proches du photon décrit par des équations ressemblant à celle de l'interaction électromagnétique. Doués de masse, contrairement au photon du modèle standard, ces photons noirs, que l'on appelle aussi des bosons U, sont chassés au Cern grâce à l'expérience NA 64 qui reprend du service après le démarrage du plus puissant accélérateur de particules du Cern après le LHC, le Supersynchrotron à protons.

Retardé d'environ quatre mois par rapport à la date prévue en raison de la pandémie de la Covid-19, le LHC va bientôt s'éveiller avec le retour des faisceaux de protons qui vont parcourir son cercle fin septembre. Mais il ne s'agira pas encore de faire de la nouvelle physique en étudiant des collisions de ces protons dans les grandes expériences du LHC - Atlas, CMS, Alice et LHC b. Le but est de tester la machine qui a été upgradée pour pouvoir partir à sa chasse, et si l'on veut trouver au LHC des signes d'un au-delà du modèle standard de la physique des particules, constitué il y a plus de 50 ans par une poignée de prix Nobel de physique dont certains sont aujourd'hui décédés comme Steven Weinberg et Murray Gell-Mann, il faudra attendre le début de mars 2022.

Toutefois, le Cern ne se réduit pas au LHC et le légendaire laboratoire européen peut déjà explorer de nouveaux territoires en utilisant les faisceaux de particules, protons ou ions lourds, que les pré-étages d'accélération conduisant aux portes du LHC permettent déjà en attendant la troisième période d'exploitation du Large Hadron Collider.

La vidéo d'introduction de cet article montre en effet qu'il existe une série de machines, dont certaines récapitulent l'arbre phylogénétique, si l'on peut dire, conduisant des premiers accélérateurs au LHC, comme le Booster du Synchrotron à protons et le Synchrotron à protons encore appelé PS. Il y a ensuite le Supersynchrotron à protons (SPS) qui a permis la découverte des bosons W et Z, prélude à celle du boson de Brout-Englert-Higgs.

Le Cern a fait savoir récemment que le redémarrage du SPS avait eu lieu et avec lui une longue liste d'expériences alimentées par le SPS et les accélérateurs en amont de celui-ci, notamment toutes les expériences de la zone nord du Cern, ainsi que l'expérience Awake, qui utilise un champ de sillage créé par des protons dans un plasma pour accélérer des particules chargées plus efficacement. On espère de cette façon pouvoir miniaturiser les accélérateurs de particules et donc faire baisser leurs coûts.

Parmi les expériences en cours de redémarrage, la plus fascinante est peut-être celle baptisée NA 64.

Une présentation de la chasse aux photons noirs avec l'expérience NA 64 au Cern. 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 ». © Cern

NA 64 et la matière noire

Comme l'explique la vidéo ci-dessus, l'expérience NA 64 a pour but de tester une classe de théorie pouvant rendre compte de la nature des particules de matière noire. On a besoin de ces particules d'un nouveau genre jamais vu sur Terre pour rendre compte d'anomalies du comportement des mouvements des gaz et des étoiles en bordure des galaxies et de celles-ci dans les amas de galaxies. On ne rend pas non plus facilement compte de la naissance des galaxies et des propriétés du rayonnement fossile déterminées par son étude via les données collectées par la mission Planck sans postuler l'existence de la matière noire.

Le modèle de matière noire testé avec NA 64 est très exotique et potentiellement il pourrait trahir l'existence d'un univers parallèle au nôtre, presque déconnecté sauf par ses effets gravitationnels et l'influence d'une nouvelle force particulièrement faible. Il postule l'existence de ce que l'on appelle souvent des photons noirs, et pour tenter de les mettre en évidence les physiciens du Cern accélèrent des protons pour produire ensuite par collision sur une cible fixe des électrons et pour leur donner des énergies d'environ 100 GeV (la masse d'un proton est de 1 GeV environ) grâce au SPS.

Ces électrons vont traverser eux aussi une cible fixe et en interagissant avec les noyaux de la cible on peut s'attendre à ce que des photons noirs soient créés, emportant avec eux de l'énergie et de la quantité de mouvement qui va manquer dans les mesures des particules connues produites aussi lors de ces interactions. Ces défauts dans les bilans d'énergies sont caractéristiques des photons noirs et donc peuvent servir de preuve indirecte de leur existence.

Les chercheurs de NA 64 sont déjà partis en quête de ces particules dans les données récoltées en 2016, 2017 et 2018, presque en vain. En effet, leur non-détection nous renseigne quand même au moins sur les valeurs des masses des photons noirs qu'ils ne peuvent avoir, et aussi sur la façon dont ils sont couplés dans des réactions à des particules chargées comme les électrons.

Les photons noirs peuvent s'inscrire dans le cadre de ce que l'on appelle l’hypothétique matière miroir et NA 64 peut chasser cette matière par d'autres effets encore, au moyen des faisceaux hadroniques issus du SPS pour étudier les désintégrations invisibles des kaons neutres et autres mésons.

Mais de quoi parle-t-on vraiment avec des photons noirs et une matière miroir ? Futura avait abordé le sujet en 2014 avec un article dont nous reprenons ici largement le contenu.

Lev Okun (1929-2015) est un physicien russe dont les travaux sur la physique des particules élémentaires sont bien connus. On lui doit le terme de hadron désignant toutes les particules faites de quarks et de gluons comme les nucléons, les mésons et les hypérons. © Cern

Un univers parallèle de particules de matière miroir ?

Commençons par rappeler que les symétries jouent un rôle très profond en physique, particulièrement depuis la découverte des lois de la mécanique quantique. Elles ont été un guide sûr pour classer et comprendre les propriétés des particules élémentaires. Elles ont même permis de prédire l'existence des quarks et des bosons W et Z du modèle standard. Même la notion de brisure de symétrie peut être féconde comme l'illustre très bien la découverte du boson de Brout-Englert-Higgs. Il existe toutefois des situations où la violation de certaines symétries embarrasse les théoriciens. Pourquoi l'univers manque-t-il d'antimatière ? D'où viennent les violations de la symétrie CP ?

Plusieurs fois, certaines violations de symétries n'ont été qu'apparentes et furent restaurées en introduisant de nouvelles particules. Dans les années 1930, on avait par exemple découvert des réactions de désintégrations nucléaires qui semblaient violer la conservation de l'énergie, laquelle découle de l'invariance par translation dans le temps des équations fondamentales de la physique. On pouvait rétablir cette symétrie en postulant l'existence d'une nouvelle particule, comme le fit Pauli avec le neutrino.

Pendant les années 1950, la découverte de la violation de la parité - la symétrie P encore appelée symétrie miroir - a étonné les chercheurs. Comme l'a expliqué le grand physicien russe Lev Okun, l'hypothèse d'une non-conservation de la parité dans le monde des particules élémentaires avait été suggérée par Richard Feynman lors d'une conférence en 1956 à laquelle assistaient Tsung Dao Lee et Chen Ning Yang. Les deux physiciens d'origine chinoise donnèrent quelques mois plus tard une formulation précise de cette violation de la symétrie miroir en montrant de plus qu'elle conduisait à des tests précis. En pratique, cette violation impliquait que si on réalisait une copie d'un dispositif expérimental obtenu en prenant son image dans un miroir, ce qui par exemple change le sens du courant dans une bobine générant un champ magnétique, les résultats des expériences dans ce second dispositif ne seraient pas identiques à ceux des expériences effectuées avec le premier en ce qui concerne les forces nucléaires faibles.

Un autre physicien russe, le légendaire Lev Landau était initialement très sceptique, trouvant absurde l'idée qu'il puisse exister une violation fondamentale d'une symétrie liée à l'espace. Pourtant des expériences, comme celle réalisée par la physicienne Chien-Shiung Wu montrèrent que des violations de la symétrie P étaient bien réelles. Cela conduisit Lev Okun et d'autres chercheurs à postuler pendant les années 1960 qu'il existait peut-être un univers de matière en miroir du nôtre, et le côtoyant. Pour maintenir la conservation de la parité, dont la symétrie miroir, il fallait imaginer des copies des forces et des particules de matières connues à l'époque - les forces électromagnétiques et les forces nucléaires - mais ne pouvant interagir avec le nôtre que par l'effet de la gravitation. Il devait donc exister des atomes, des molécules et des photons noirs, invisibles en pratique.

De gauche à droite, Rocky Kolb et Michael Turner sont deux célèbres astrophysiciens travaillant aux frontières de la cosmologie et de la physique des particules élémentaires. Leur monographie The Early Universe est un ouvrage de référence. © Fermilab

Des particules de matière noire dans un univers miroir ?

Cette hypothèse de l'existence d'un monde miroir exigée par les symétries des particules élémentaires a resurgi sous des formes renouvelées pendant les années 1980 et 1990 avec l'essor des théories supersymétriques, en particulier celles des supercordes, et bien sûr les confirmations de la validité des prédictions du modèle standard basées sur les fameuses symétries de jauge et les groupes de Lie. C'est aussi à ce moment que les progrès de la cosmologie et de l'astrophysique ont donné beaucoup plus de poids à l'hypothèse de la présence de la matière noire dans l'Univers.

La théorie quantique du champ électromagnétique et des forces nucléaires faibles fait intervenir un groupe de symétrie nommé U(1) pour le photon et un autre nommé SU(2). Comme celle des forces nucléaires fortes fait intervenir le groupe SU(3), on dit souvent que les symétries fondamentales des interactions du modèle standard sont un groupe SU(3)*SU(2)*U(1) qui est le produit des groupes précédents. L'une des théories des supercordes les plus prometteuses contient, elle, le produit de deux groupes de Lie identiques, en l'occurrence E8. Comme E8 contient comme sous-groupes SU(3) *SU(2)*U(1), des théoriciens de la cosmologie comme Kolb et Turner ont pensé en 1986 que cette copie du modèle standard pouvait correspondre à l'univers miroir d'Okun et surtout expliquer la présence de la matière noire. On n'a malheureusement pas encore trouvé de preuve de l'existence des particules miroirs qu'il implique.

Pierre Fayet, directeur de recherche CNRS au laboratoire de physique théorique de l’ENS à Paris, est spécialiste de physique théorique des particules. Ses travaux ont notamment porté sur la supersymétrie, l'astrophysique et la cosmologie. Il répond à trois questions sur l’apport des physiciens théoriciens dans la découverte du boson de Higgs. © INP, CNRS

En fait, beaucoup de prolongements du modèle standard font intervenir un nouveau champ qui possède aussi comme groupe de symétrie U(1) et qui décrit un boson se comportant comme le photon du champ électromagnétique mais avec une masse. L'un des pionniers des théories supersymétriques, le Français Pierre Fayet, a développé dès les années 1980 un exemple de théorie de ce nouveau boson dont il pense qu'il est un bon candidat au titre de particule de matière noire. Il est léger et se couple très faiblement à d'autres particules lors d'interactions. Il est désigné alternativement comme le boson U ou le photon noir (dark photon, en anglais).

Des photons noirs qui se désintègrent en paires électron-positron

Le boson U se couplant faiblement aux charges électriques, on peut s'en servir pour tenter d'expliquer le moment magnétique anomal (et non « anormal ») du muon. On peut montrer aussi qu'il devrait être possible de le créer en faisant entrer en collision des protons, plus précisément via la création d'une paire de quark et d'antiquark. Le boson U peut alors manifester sa présence en se désintégrant de façon bien caractéristique en une paire d'électron et de positron. Les membres de la collaboration Hades (High-Acceptance Di-Electron Spectrometer) du célèbre GSI en Allemagne à Darmstadt sont partis de cette façon à la chasse aux photons noirs. Ils ont fait entrer en collision des protons, entre eux ou sur une cible fixe constituée de niobium, et ont étudié avec précision le spectre des paires électron-positron produites.

Les résultats de leurs travaux ont été publiés sur arxiv. Ils posaient déjà de nouvelles contraintes sur la masse et le couplage des bosons U avec les particules chargées. Aucune preuve de l'existence de ces photons noirs n'a pu être apportée depuis lors et certaines valeurs possibles de leur masse ont été exclues au Cern, notamment comme on l'a expliqué précédemment. Il semble maintenant aussi plus difficile d'expliquer le moment magnétique anomal du muon en utilisant l'hypothèse de l'existence des bosons U car l'espace des valeurs possibles des paramètres caractérisant ces bosons est devenu plus restreint. Mais bien des fenêtres de détection de la production des photons noirs restent possibles.

La matière noire et les particules miroirs restent donc dans l'ombre... pour l'instant.

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