LHC: étudier l'antimatière pour rechercher la matière noire

Publié par Redbran le 02/06/2020 à 13:00
Source: CERN
L'étude d'antinoyaux légers, de leur création à leur annihilation, facilitera à l'avenir la recherche indirecte de matière noire.


Vue du détecteur souterrain ALICE utilisé pour étudier l'antideutéron (Image: CERN)

La collaboration ALICE présente de nouveaux résultats sur les taux de production d'antideutérons s'appuyant sur des 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, etc.) collectées à l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) de 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.) la plus élevée 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...) dans le Grand collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux dirigés de particules élémentaires.) de hadrons (LHC). L'antideutéron est constitué d'un antiproton et d'un antineutron (L'antineutron est l'antiparticule du neutron. L'antineutron possède la même masse et la même charge que le neutron, mais est composé d'antiquarks.). Ces nouvelles mesures sont importantes car la présence d'antideutérons dans l'espace est un indice prometteur de candidats à la matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre), traduction de l’anglais dark matter, désigne la matière apparemment...). Ce résultat constitue une étape importante dans la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) 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, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...) noire.

Des résultats obtenus récemment en cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.) et en astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la...) semblent indiquer que la matière noire est la forme de matière prédominante dans l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.), représentant environ 85 % de la matière. La nature de la matière noire reste une grande énigme, dont la résolution ouvrirait de nouvelles perspectives pour la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...).

Des antideutérons détectés dans l'espace pourraient être une signature indirecte de la matière noire, car ils pourraient être produits lors de l'annihilation ou de la désintégration de neutralinos ou de sneutrinos, particules de matière noire hypothétiques.

Diverses expériences traquent les antideutérons dans l'Univers, dont le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été spécifiquement conçu.) AMS, arrimé sur la Station spatiale internationale (La Station spatiale internationale (en anglais International Space Station ou ISS) est un habitat placé en orbite terrestre basse, occupé en permanence par un équipage international qui se consacre à la recherche scientifique...). Toutefois, avant de pouvoir déduire l'existence de matière noire à partir de la détection de ces noyaux, les scientifiques doivent déterminer, d'une part leur taux de production par d'autres sources (à savoir les collisions entre les rayons cosmiques et des noyaux dans le milieu interstellaire), et, d'autre part, leur taux d'annihilation lorsqu'ils rencontrent de la matière sur leur chemin. Pour pouvoir affirmer que l'antideutéron détecté est lié à la présence de matière noire, il faut déjà connaître les taux de production et d'annihilation.

En faisant entrer en collision des protons dans le LHC, l'équipe d'ALICE a simulé la production d'antideutérons dans les collisions générées par les rayons cosmiques et a pu ainsi mesurer le taux de production associé à ce phénomène. Ces mesures sont fondamentales pour modéliser les processus de production d'antideutérons dans l'espace. En comparant la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de...) d'antideutérons détectés à celle des particules de matière homologues (les deutérons, qui ne s'annihilent pas dans le détecteur), on a pu déterminer, pour la première fois, 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 grande importance donnant lieu...) d'annihilation des antideutérons de basse énergie.

Ces mesures serviront à de futures études sur les antideutérons détectés à proximité de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus...), et aideront les physiciens à déterminer si ces noyaux sont des signatures de la présence de particules de matière noire, ou, au contraire, s'ils sont la manifestation de phénomènes connus.

Par la suite, les études de ce type à ALICE pourraient être étendues à des antinoyaux plus lourds. "Le LHC et l'expérience ALICE sont des instruments uniques au monde pour l'étude des noyaux d'antimatière (L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière classique — celle dont est faite la Terre. Le préfixe « anti- »...), a déclaré Luciano Musa, porte-parole d'ALICE. Ce résultat restera une référence cruciale pour l'interprétation des futures recherches en astrophysique sur la matière noire."

Pour en savoir plus:
"Measurement of the low-energy antideuteron inelastic cross section" [PDF]: arXiv:2005.11122
"(Anti-)Deuteron production in pp collisions at √ s = 13 TeV" [PDF]: arXiv:2003.03184
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