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Matière noire : la quête difficile des particules millichargées

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Les quarks possèdent des charges fractionnaires : 1/3 ou 2/3 de celle des électrons. Des modèles issus de théories physiques au-delà du modèle standard contiennent des particules avec des valeurs inférieures à un millième de cette charge. Elles pourraient jouer le rôle de particules de matière noire et se retrouver piégées dans la matière ordinaire. Une expérience simple en laboratoire a tenté de les débusquer.

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. 

La découverte de l'électron et les premières mesures de sa masse et de sa charge datent d'à peine plus d'un siècle. Elles sont le produit d'expériences ingénieuses mises au point et réalisées vers 1897 par Joseph J. Thomson, J. S. E. Townsend et H. A. Wilson, trois physiciens britanniques. La mesure précise de la charge électrique élémentaire de l'électron a été réalisée quelques années plus tard par Robert Millikan au moyen de sa célèbre expérience de la goutte d'huile. La saga de la charge électrique s'est ensuite poursuivie tout au long du XXe siècle.

On a tenté d'expliquer l'origine de cette charge élémentaire et de la quantification de sa valeur, laquelle apparaît identique pour tous les électrons et tous les protons ainsi que pour d'autres leptons et hadrons. Paul Dirac s'est penché sur cette quantification, surtout parce qu'il était peu satisfait de la dissymétrie des équations de Maxwell-Lorentz, traitant sur un pied d'égalité les champs électrique et magnétique sans faire intervenir de charge magnétique élémentaire. Le physicien fut alors conduit à postuler l'existence des monopôles magnétiques. On les cherche encore activement aujourd'hui, bien que des cousins, qui ne sont pas de vraies particules élémentaires, ont fini par être découverts dans certains solides.

Robert Andrews Millikan (1868-1953) était un physicien américain surtout connu pour ses travaux de mesure précise de la valeur de la charge de l’électron et sa vérification de la théorie de l’effet photoélectrique d'Einstein. Il s’intéressa plus tard aux rayons cosmiques. Il est le lauréat du prix Nobel de physique de 1923. © DP

L'existence même de la charge électrique trouve une explication naturelle, tout comme celle de la force électromagnétique, dans le cadre des théories de Kaluza-Klein. En étendant la validité des équations de la relativité générale à des espaces-temps courbes avec des dimensions spatiales supplémentaires, on constate en effet que la charge électrique et sa loi de conservation sont une manifestation de la conservation de la quantité de mouvement et de son existence selon une quatrième dimension de l'espace en forme de cercle. Il se trouve aussi que cette hypothèse d'existence de dimensions spatiales supplémentaires, mais avec des configurations géométriques plus compliquées, est employée dans le cadre de la théorie des supercordes. De cette théorie découlent potentiellement de nouveaux effets physiques que l'on aimerait pouvoir observer expérimentalement.

Les millifermions, des particules de matière noire

L'un de ces effets (parfois en relation avec ce qu'on appelle les photons noirs) conduit à postuler l'existence de nouvelles particules portant des charges électriques dont les valeurs sont inférieures au millième de celle de l'électron : les « millicharges » ou « millifermions ». Ces nouvelles particules pourraient constituer une fraction de la matière noire, dont l'existence a été à nouveau consolidée par les analyses des mesures du rayonnement fossile réalisées avec l'instrument Planck. Elles sont en effet traquées en cosmologie et en astrophysique. Elles le sont aussi sur Terre dans des expériences de collisions de faisceaux de particules où ces particules se manifesteraient comme des sortes d'électrons (c'est-à-dire des fermions) lourds, mais pas trop. Sans ces expériences, elles risqueraient de rester longtemps insaisissables pour les détecteurs en raison de leur très faible charge et d'un taux de production assez faible lors des collisions.

Une autre stratégie de découverte part de l'hypothèse que ces millicharges pourraient former des états liés avec les particules de matière normale et qu'elles pourraient donc s'accumuler dans des objets ordinaires. Comme ils l'expliquent dans un article sur arxiv récemment, des physiciens de l'université de Stanford ont posé de cette façon des bornes sur la valeur de la charge de ces particules et leur abondance dans la matière normale.

Des microsphères de silice piégées optiquement

Pour ce faire ils ont commencé par mettre en lévitation dans un vide poussé des sphères en silice. Ils ont ainsi réalisé un piège optique avec des lasers immobilisant ces sphères en dioxyde de silicium de 5 micromètres de diamètre. Soumises à des rayons ultraviolets, ces microsphères ont dû perdre d'éventuelles charges électriques entières mais pas leurs millicharges. Leur présence pourrait donc être révélée en soumettant ces objets à des champs électriques alternatifs capables de les faire osciller autour de leur position d'équilibre s'ils contenaient un certain nombre de millicharges d'une valeur donnée.

Les physiciens auraient pu découvrir des millicharges valant entre un dixième et 10 millionièmes de la valeur de la charge électrique de l'électron environ. Si elles sont bel et bien présentes dans l'expérience alors il ne doit pas en exister plus de 2,5 pour 1014 nucléons dans le matériau testé...

Voilà plus d'un siècle, Joseph John Thomson (1856-1940) découvrait l'électron et mesurait sa masse. Bien avant Robert Brout, François Englert et Peter Higgs, les théoriciens de l'époque comme Lorentz et Poincaré avaient déjà entrepris de calculer la masse de l'électron. On a depuis tenter d'expliquer sa charge. © Cavendish Laboratory, université de Cambridge