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On a chassé des photons noirs sans le savoir, il y a 30 ans

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Les résultats négatifs de plusieurs expériences parties à la recherche d'une classe de particules de matière noire massives que l'on appelle des Wimps laissent penser qu'il faudrait plutôt s'orienter vers des modèles où elles seraient légères. Dans ce cas, elles pourraient émettre des cousins du photon, presque invisibles pour nous, appelés des photons noirs. Des traces de ces particules ont été recherchées dans une ancienne expérience du SLAC.

L’observation des courbes de vitesse de révolution v des étoiles autour du centre de leur galaxie à une distance r montre qu'elles tournent trop vite, si on se base sur la loi de la gravitation de Newton et sur la masse déduite de la luminosité des galaxies. C'est l'une des preuves de l'existence de la matière noire. Une partie pourrait être constituée d'une nouvelle particule postulée pour rendre compte de difficultés rencontrées dans la théorie des forces nucléaires fortes : l'axion. © Gianfranco Bertone

La matière noire (dark matter en anglais) reste encore la meilleure explication en lice pour rendre compte des caractéristiques du rayonnement fossile et des observations au niveau des amas de galaxies. Mais à l'échelle des galaxies, les choses sont nettement moins claires, ce qui conduit à considérer Mond comme une alternative très sérieuse à l'existence de particules issues d'une physique au-delà du modèle standard et qui auraient rendu possible la naissance des grandes structures dans l'univers observable. Ce qu'elles sont, nous l'ignorons toujours. Mais il semble que lentement mais sûrement, nous déterminons ce qu'elles ne sont pas à l'aide d'expériences comme Lux, Xénon et les collisions dans le LHC.

Une grande classe de modèle de particules de matière noire qui a été étudiée depuis des décennies, aussi bien du point de vue théorique qu'expérimental, est celle qui suppose l'existence des weakly interacting massive particles ou Wimps, ce qui se traduit par « particules massives faiblement interactives ». Hormis par la force de gravitation, les Wimps ne seraient susceptibles d'interagir avec les autres particules que via les forces nucléaires faibles ou d'autres forces ayant des caractéristiques et des intensités similaires. Leurs masses seraient comprises entre une et mille fois celle du proton, soit de 1 à 1.000 GeV.

Une alternative aux Wimps avec émission de lumière noire

La chasse au Wimps dans les détecteurs et les contraintes issues des observations concernant les galaxies font que l'on considère aussi une classe de nouvelles particules dont les masses seraient cette fois-ci comprises entre un millième et une fois celle du proton. On parle de particules de matière noire légères c'est-à-dire de Light dark matter ou encore de Sub GeV dark matter, pour des raisons évidentes. Si celles-ci interagissent toujours faiblement avec les particules de matière ordinaire, il n'en serait plus nécessairement de même entre elles. Certains modèles de la physique des hautes énergies, comme la théorie des supercordes, font état de l'existence d'une nouvelle force ressemblant beaucoup à la force électromagnétique, car reposant sur un groupe de symétrie identique. Il existerait alors des sortes de photons noirs qui seraient massifs, mais ne seraient échangés qu'entre les particules de matière noire légères bien qu'ils soient capables de se mélanger d'une certaine façon avec les photons ordinaires. On pouvait donc tenter de mettre en évidence ces photons exotiques et ces particules de matière noire légères dans des expériences faisant intervenir la force électromagnétique.

Une vue de l’accélérateur linéaire d’électrons à Stanford. Les faisceaux de particules qu’il a produits ont servi à en découvrir de nouvelles et à mettre en évidence la structure en quarks des nucléons. © Brad Plummer, SLAC

Des particules de matière noire chassées avec des électrons

Un groupe de physiciens a eu une idée brillante pour poser des contraintes sur l'existence et les caractéristiques de ces particules qui ne sont pas des Wimps. Ils ont revisité les résultats d'une expérience qui avait été menée entre 1980 et 1982 à l'aide des faisceaux d'électrons disponibles grâce à l'accélérateur linéaire du SLAC à Stanford. Baptisée E137, il s'agissait à l'époque de tenter de découvrir avec elle, l'existence de l'axion. Un faisceau d'électrons était stoppé en passant à travers une cible en aluminium, ce qu'on appelle un beam dump en anglais. Le processus pouvait s'accompagner de la production d'axions qui sont par nature très pénétrants. Poursuivant sur la trajectoire initiale des électrons, ceux-ci auraient ensuite rejoint un détecteur capable de les mettre en évidence, non sans avoir préalablement traversé une région contenant du sable d'une épaisseur de 179 m afin de s'assurer qu'aucune particule ordinaire produite dans la cible en aluminium ne contaminait le faisceau d'axions hypothétiques. Les résultats furent négatifs, ce qui a permis de poser des contraintes sur l'un des paramètres décrivant les modèles d'axions.

Il se trouve que les particules de matière noire légères possèdent des caractéristiques similaires à celles des axions et qui pouvaient coïncider avec la plage de valeurs mesurables avec E137. Les électrons stoppés dans le beam dump auraient en effet pu émettre des photons noirs qui, à leur tour, auraient produit des paires de particules et d'antiparticules de matière noire légère, lesquelles auraient voyagé à travers le sable comme les axions. Comme les chercheurs l'expliquent dans l'article qu'ils ont déposé sur arxiv, les résultats de l'expérience E137 ont effectivement permis de poser des contraintes, tout à la fois sur les propriétés des particules de matière noire légères, mais aussi sur celles des photons noirs.

Les physiciens ne comptent pas en rester là, car ils ont réalisé qu'une expérience similaire à E137 avec un détecteur moderne d'une tonne et quelques millions de dollars seulement permettrait d'explorer avec beaucoup plus de précision la physique des hypothétiques photons noirs. Baptisée BDX pour Beam-Dump eXperiment, cette expérience est déjà à l'étude et elle pourrait être réalisée au Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF), communément appelé Jefferson Lab (JLAB), un laboratoire national des États-Unis, situé à Newport News, à proximité de Norfolk dans l'État de Virginie.

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