Explorer de nouveaux territoires pour trouver la matière noire

Publié par Redbran le 01/10/2020 à 13:00
Source: CERN
Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) est connu pour la traque et la découverte du boson de Higgs, mais les scientifiques ont également mis à profit les dix années de fonctionnement de la machine et ses collisions de protons à une énergie inédite dans un accélérateur de particules (Les accélérateurs de particules sont des instruments qui utilisent des champs électriques et/ou magnétiques pour amener des particules...), pour essayer de trouver une chose tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) aussi remarquable: la particule hypothétique constituant une forme invisible de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide,...) appelée matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre), traduction de l’anglais dark matter, désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d’effets inattendus, notamment...).

Sans cette matière noire, cinq fois plus abondante que la matière ordinaire, l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) ne serait pas tel que nous le connaissons. La recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) de particules de matière noire, au LHC ou auprès d'expériences hors collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux dirigés de particules élémentaires.), est jusqu'ici restée infructueuse, mais l'ingéniosité déployée par les scientifiques au LHC pour les débusquer leur a permis de mieux circonscrire les régions où elles pourraient se cacher ; c'est là une étape indispensable sur le chemin d'une découverte.


Simulation de la distribution de la matière noire dans l'Univers. (V. Springel et al. 2005)

"Avant le LHC, l'espace des possibles pour les particules de matière noire était bien plus étendu que maintenant, explique Tim Tait, théoricien spécialiste de la matière noire de l'Université de Californie (L'université de Californie est une université américaine, fondée en 1868, dont le siège se trouve à Berkeley (Californie),...), à Irvine, et coresponsable du groupe de travail sur la matière noire au LHC."

"Le LHC a vraiment exploré de nouveaux territoires pour la recherche de particules de matière noire sous forme de particules massives interagissant faiblement, en couvrant tout un spectre de signaux possibles signant, selon la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative,...), soit la production de matière noire, soit la production de particules porteuses des interactions entre la matière noire et la matière ordinaire. Tous les résultats observés sont compatibles avec les modèles n'incluant pas la matière noire, et nous renseignent sur les types de particules qui ne peuvent plus être envisagées comme une manifestation de la matière noire. Les résultats ont amené les expérimentateurs à imaginer de nouvelles manières de chercher la matière noire, mais aussi incité les théoriciens à repenser les théories actuelles sur la nature de la matière noire, et, dans certains cas, à en proposer de nouvelles."

La faire, la voir se défaire ou chercher ses secousses

Pour chercher la matière noire, les scientifiques ont trois stratégies possibles: la faire, la voir se défaire, ou chercher ses secousses. Le LHC essaye de faire de la matière noire en faisant entrer en collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) des faisceaux de protons. Certaines expériences utilisent des télescopes situés dans l'espace ou au sol pour observer des signes indirects de particules de matière noire qui entrent en collision et se désintègrent dans l'espace. D'autres expériences enfin traquent ces particules insaisissables par une méthode plus directe en cherchant, dans des détecteurs souterrains, les traces des "secousses" qu'elles donnent aux noyaux atomiques lorsqu'elles les percutent.

L'approche consistant à "faire" de la matière noire est complémentaire des deux autres. Ainsi, si le LHC devait détecter une éventuelle particule de matière noire, cela devra être confirmé par d'autres expériences avant de pouvoir dire qu'il s'agit effectivement d'une particule de matière noire. A contrario, si des expériences détectent directement ou indirectement le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps...) d'une interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose...) avec une particule de matière noire, des expériences auprès du LHC pourraient être conçues pour étudier avec précision cette interaction.

Traquer le signal d'une impulsion manquante et les bosses


Un événement dans le détecteur ATLAS présentant une impulsion transversale manquante. L'impulsion transversale de 265 GeV d'un photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma) est la particule élémentaire médiatrice de...) (trait jaune) est compensée par une impulsion transversale manquante de 268 GeV (trait rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) en pointillé de l'autre côté du détecteur). (Image: ATLAS/CERN)

Comment chercher des indices de la production de matière noire dans les collisions de protons au LHC ? La principale signature de la présence d'une particule de matière noire dans de telles collisions est ce que l'on appelle l'impulsion transversale manquante. Pour rechercher cette signature, les scientifiques additionnent les impulsions des particules que les détecteurs du LHC sont capables de voir, plus précisément les impulsions perpendiculaires aux faisceaux de protons entrant en collision, en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) de repérer l'impulsion manquante par rapport à la valeur totale de l'impulsion avant la collision. Cette dernière doit être égale à zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole marquant une...) car les protons se déplacent selon la direction du faisceau avant d'entrer en collision. Si la valeur totale de l'impulsion après la collision n'est pas nulle, l'impulsion manquante qu'on peut calculer pourrait correspondre à une particule de matière noire non détectée.

L'impulsion manquante est à la base de deux principales catégories de recherches au LHC. La première découle des modèles dits complets de nouvelle physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...), comme les modèles relevant de la supersymétrie (Note : Pour profiter au mieux de cet article, le lecteur devrait avoir de bonnes notions sur le spin, la physique des particules et la symétrie en physique.) (SUSY). Dans ces modèles, les particules connues du Modèle standard de la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi parfois physique des hautes...) ont un partenaire supersymétrique dont le spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge...) (propriété quantique) diffère d'une demi-unité. De plus, dans de nombreux modèles de la supersymétrie, la particule supersymétrique la plus légère est une particule massive (Le mot massif peut être employé comme :) interagissant faiblement (weakly interacting massive particle - WIMP). Les WIMP sont l'une des particules candidates les plus intéressantes pour les particules de matière noire car elles pourraient expliquer l'abondance de matière noire dans le cosmos. Les recherches axées sur les WIMP supersymétriques cherchent l'impulsion manquante d'une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) de particules de matière noire et un jet de particules et/ou des particules appelées leptons.

Une autre catégorie de recherches traquant l'impulsion manquante comme signature découle des modèles simplifiés qui incluent une particule de matière noire de type WIMP et une particule médiatrice (En géométrie plane, la médiatrice d'un segment est l'ensemble des points équidistants des extrémités du segment. Cet ensemble est la droite passant par le milieu du segment et qui est...) qui interagirait avec les particules ordinaires connues. Cette particule médiatrice peut être soit une particule connue, comme le boson Z (Le boson Z0 est un des trois bosons de jauge de l'interaction faible, les deux autres étant le boson W sous deux états opposés de charges électriques notés W+ et W-.) ou le boson de Higgs (Le boson de Higgs est une particule élémentaire dont l'existence a été proposée en 1964 par Gerry Guralnik, C.R. Hagen, et Tom Kibble; Robert Brout et...), soit une particule inconnue. Ces dernières années, ces modèles ont gagné en popularité car ils sont très simples tout en restant généraux (les modèles complets étant eux spécifiques et ayant donc une portée moindre), et ils peuvent servir de référence pour comparer les résultats des expériences LHC avec ceux des expériences sur la matière noire menées hors collisionneur. Outre l'impulsion manquante d'une paire de particules de matière noire, cette deuxième catégorie de recherches vise au moins un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une...) hautement énergétique tel qu'un jet de particules ou un photon.

Dans le cas des modèles simplifiés, il est possible, au lieu de chercher l'impulsion manquante, de chercher non pas la particule de matière noire, mais la particule médiatrice via sa transformation (ou "désintégration") en particules ordinaires. On recherche alors dans les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement,...) issues des collisions une "bosse" dans la courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes polygonales et les cercles sont des...) qui représente les événements, par exemple une bosse dans la distribution des masses d'événements à deux jets ou deux leptons.

Mieux circonscrire le territoire des WIMP

Quels résultats les expériences LHC ont-elles obtenu dans leur quête des WIMP ? Pour faire court, aucun signe de WIMP de matière noire. Plus précisément, elles ont exclu de grands pans du territoire théorique des WIMP et fixé des limites solides aux valeurs possibles de certaines propriétés de la particule de matière noire comme de la particule médiatrice, comme leur masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du...) et leur force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au...) d'interaction avec d'autres particules. Caterina Doglioni, membre de la collaboration ATLAS, résume ainsi ces résultats: "Nous avons mené à bien un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de recherches spécifiques de particules invisibles et de particules visibles intervenant dans des processus mettant en jeu la matière noire, et nous avons interprété les résultats, ce qui a donné lieu à de nombreux scénarios supposant de la matière noire constituée de particules WIMP, allant de modèles simplifiés à des modèles de type SUSY. Ce travail a été possible grâce à la collaboration entre expérimentateurs et théoriciens via des plateformes de discussion comme le groupe de travail sur la matière noire, qui réunit des théoriciens et des représentants des collaborations ATLAS, CMS et LHCb. Replacer les résultats obtenus au LHC dans le contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de contexte issu...) de la recherche globale de particules WIMP, par détection directe et indirecte, a également été au centre des préoccupations de la communauté de la matière noire, qui continue à débattre des moyens d'exploiter au mieux les synergies entre différentes expériences qui poursuivent le même objectif scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) - trouver la matière noire."

Citant en particulier l'exemple d'un résultat obtenu avec les données de l'expérience ATLAS, Priscilla Pani, coresponsable du groupe de travail sur la matière noire à ATLAS, raconte comment la collaboration a récemment passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au...) au crible l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) des données collectées de 2015 à 2018, lors de la deuxième période d'exploitation du LHC, pour trouver des événements qui pourraient constituer une désintégration du boson (Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés de symétrie particulières lors de l'échange de particules : un système de particules identiques se comportant comme des...) de Higgs en particules de matière noire. "Nous n'avons trouvé aucune trace (TRACES (TRAde Control and Expert System) est un réseau vétérinaire sanitaire de certification et de notification basé sur internet sous la responsabilité de la Commission européenne dans le cadre du premier pilier de...) d'une telle désintégration, mais nous avons pu fixer la limite la plus solide à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début...) quant à la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un sujet de...) de l'événement", explique-t-elle.

Phil Harris, coresponsable du groupe de travail sur la matière noire à CMS, évoque la recherche d'une particule médiatrice de la matière noire se désintégrant en deux jets, citant l'exemple d'une recherche récente à CMS basée sur les données collectées lors de la deuxième période d'exploitation.

"La recherche de ces événements dits à deux jets est très prometteuse car elle sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est au-delà. Cela couvre à...) une large gamme de masses et de forces d'interaction", explique Harris.

Xabier Cid Vidal, coresponsable du groupe de travail sur la matière noire à LHCb, explique comment les données sur la désintégration du méson (Un méson est, en physique des particules, une particule composite (c’est-à-dire non élémentaire) composée d'un nombre pair de quarks et d'antiquarks.) Bs collectées pendant la première et la deuxième période d'exploitation ont permis à la collaboration LHCb de fixer une limite solide aux modèles supersymétriques incluant des WIMP. "La désintégration du méson Bs en deux muons est très sensible aux particules supersymétriques comme les WIMP supersymétriques car la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par...) avec laquelle la désintégration a lieu peut s'écarter fortement des prédictions du Modèle standard si des particules supersymétriques participent au processus. Et ce alors même que leur masse serait trop élevée pour pouvoir être détectée directement au LHC", précise-t-il.

Regarder plus loin

"Il a y dix ans, les expériences (au LHC et ailleurs) recherchaient des particules de matière noire dans un intervalle compris entre la masse du proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) (1 GeV) et quelques TeV. En d'autres termes, elles cherchaient des particules WIMP classiques, telles que celles prédites par la supersymétrie. Dix ans plus tard, les expériences sur la matière noire cherchent désormais des particules de type WIMP avec des masses aussi basses que 1 MeV ou aussi élevées que 100 TeV", indique Tim Tait. "L'absence de résultat, notamment au LHC, a conduit à élaborer de nombreuses autres théories sur la nature de la matière noire, allant de la matière noire floue, faite de particules ayant des masses aussi basses que 10−22 eV jusqu'aux trous noirs primordiaux dont la masse équivaudrait à celle de plusieurs soleils (Soleils est une association à but humanitaire implantée sur le campus de Supélec (École Supérieure d'Electricité).). La communauté de la matière noire a donc commencé à élargir ses horizons (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou situation. Ce concept simple se décline...) pour étudier un éventail plus vaste de possibilités."


Explications possibles de la nature de la matière noire. The possible explanations for the nature of dark matter. (Image: G. Bertone and T. M. P. Tait)

Avec leur collisionneur, les scientifiques du LHC ont commencé à se pencher sur ces nouvelles possibilités. Ils ont ainsi commencé à étudier l'hypothèse selon laquelle la matière noire ferait partie d'un secteur noir plus grand comprenant plusieurs types différents de particules de matière noire. Ces particules du secteur noir pourraient comprendre un équivalent du photon, le photon noir, qui interagirait avec les autres particules du secteur noir ainsi qu'avec les particules connues, et des particules à longue durée de vie (La vie est le nom donné :), également prédites par les modèles supersymétriques.

"Les scénarios du secteur noir fournissent un nouvel ensemble de signatures expérimentales, et cela constitue un nouveau terrain de jeu pour les physiciens, explique Caterina Doglioni."

"Nous développons à présent les méthodes expérimentales (Une des bases de la démarche scientifique est l'expérimentation, c'est-à-dire le recueil de données sur le domaine d'étude, et la confrontation du modèle aux faits.) que nous connaissons bien de manière à pouvoir capturer des indices rares et inhabituels dans des bruits de fond importants. De plus, un grand nombre d'expériences actuelles et futures ciblent également le secteur noir et les particules interagissant plus faiblement que les WIMP. Certaines de ces expériences, comme l'expérience FASER approuvée récemment, mettent en commun leurs connaissances, leurs technologies et même leur complexe d'accélérateurs avec les grandes expériences LHC, et compléteront la portée des recherches de matière noire hors WIMP au LHC, à l'image de l'initiative sur la Physique au-delà des collisionneurs."

Enfin, les scientifiques du LHC travaillent toujours sur les données de la deuxième période d'exploitation. Il est à noter d'ailleurs que les données collectées à ce jour, lors de la première et de la deuxième période d'exploitation, ne représentent que 5 % environ du total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des dettes". En physique le total...) des données qui seront enregistrées par les expériences. Dès lors, et compte tenu de l'énorme somme de connaissances acquises après les nombreuses analyses réalisées au LHC à ce jour, il n'est pas interdit d'espérer que le LHC parviendra à découvrir une particule de matière noire dans les dix prochaines années. "Le fait que nous ne l'ayons pas encore trouvé, et la possibilité que nous la trouvions dans un avenir pas si lointain, c'est cela qui me motive, nous dit Phil Harris. Ces dix dernières années nous ont montré que la matière noire pourrait être différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de...) de ce que nous avions pensé initialement, mais cela ne veut pas dire que nous ne pouvons pas la trouver", estime Xabier Cid Vidal.

"Nous ne négligerons aucune piste, et peu importe le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) que cela prendra et la masse de travail que cela demandera", conclut Priscilla Pani.
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