La recherche de la matière sombre se développe considérablement

La recherche de la matière sombre se développe considérablement

Depuis les astronomes est parvenu à un consensus dans les années 1980 sur le fait que la plus grande partie de la masse de l’univers est invisible – que la «matière noire» doit coller les galaxies ensemble et sculpter gravitationnellement le cosmos dans son ensemble – les expérimentateurs ont recherché les particules non lumineuses.

Histoire originale réimprimée avec la permission de Magazine Quanta, une publication indépendante de la Fondation Simons dont la mission est d’améliorer la compréhension publique de la science en couvrant les développements et les tendances de la recherche en mathématiques et dans les sciences physiques et de la vie.

Ils se sont d’abord lancés à la recherche d’une forme lourde et lente de matière noire appelée particule massive faiblement interagissante, ou WIMP – le premier candidat favori pour la matière manquante du cosmos, car elle pourrait résoudre un autre casse-tête sans rapport en physique des particules. Au fil des décennies, des équipes de physiciens ont mis en place des cibles de plus en plus grandes, sous la forme d’énormes cristaux et de cuves de plusieurs tonnes de liquides exotiques, dans l’espoir d’attraper le rare tremblement d’un atome lorsqu’un WIMP l’a percuté.

Mais ces détecteurs sont restés silencieux et les physiciens envisagent de plus en plus un spectre plus large de possibilités. Du côté lourd, ils disent que la matière invisible de l’univers pourrait s’agglutiner en trous noirs aussi lourds que des étoiles. À l’autre extrême, la matière noire pourrait se répandre dans un fin brouillard de particules des milliers de milliards de milliards de fois plus légères que les électrons.

De nouvelles hypothèses s’accompagnent de nouvelles méthodes de détection. Kathryn Zurek, physicienne théorique au California Institute of Technology, a déclaré que si les expériences actuelles du WIMP ne voient rien, «alors je pense qu’il y aura une partie substantielle du domaine qui va se déplacer vers ces nouveaux types d’expériences. « 

Déjà, le travail a commencé. Voici quelques-uns des nombreux nouveaux fronts dans la recherche de la matière noire.

Entre un électron et un proton

Les WIMP auraient assez de poids pour parfois survoler un atome entier. Mais au cas où la matière noire serait plus claire, certains expérimentateurs installent des quilles de bowling plus petites.

Une pluie plus douce de particules de matière noire pesant moins que les protons pourrait occasionnellement libérer des électrons de leurs atomes hôtes. La première expérience conçue spécifiquement pour capter cette matière noire est l’instrument expérimental CCD Sub-Electron-Noise Skipper (Sensei), qui utilise une technologie similaire à celle des appareils photo numériques pour amplifier les signaux d’électrons émancipés de manière inattendue à l’intérieur des matériaux.

Lorsqu’un prototype Sensei s’est allumé avec seulement un dixième de gramme de silicium, il n’a pas trouvé de matière noire. Malgré tout, les résultats de l’équipe, publiés en 2018, ont instantanément exclu certains modèles.

«Nous venons de nous allumer et nous avions les meilleures limites du monde», a déclaré Tien-Tien Yu, physicien à l’Université de l’Oregon et membre de la collaboration Sensei, «parce qu’il n’y avait pas de limites auparavant.»

Les résultats récents d’une version de 2 grammes de Sensei étendent ces limites, et maintenant Yu et ses collègues se préparent à déployer une version de 10 grammes dans un laboratoire souterrain au Canada, loin des rayons cosmiques interférents. D’autres groupes conçoivent des expériences alternatives à faible coût ciblant le même fruit à portée de main.

Aller plus léger

Si la matière noire est encore plus claire ou aveugle à la charge électrique, elle risque de ne pas libérer un électron. Zurek a réfléchi à des façons dont même ces pipsqueaks pourraient trahir leur présence en influençant le comportement de groupes de particules.

Imaginez un bloc de silicium, par exemple, comme un matelas avec des ressorts représentant des noyaux atomiques. Rebondissez d’un quart sur le matelas, dit Zurek, et même si aucun ressort ne bougera beaucoup, la pièce pourrait déclencher une ondulation qui traverse de nombreux ressorts. Elle a proposé en 2017 qu’une perturbation analogue provenant d’une interaction de matière noire pourrait générer des ondes sonores qui pourraient légèrement réchauffer le système.

Un projet empruntant cette voie, Tesseract, est actuellement en cours d’exécution dans un sous-sol de l’Université de Californie à Berkeley, à la recherche d’ondulations provenant de particules sombres similaires en poids à celles que Sensei cible. Cependant, les futures mises à niveau sensibles pourraient théoriquement trouver des particules jusqu’à mille fois plus légères.

Mais il y a encore plus de possibilités de particules lilliputiennes. L’axion – une entité si légère qu’elle est plus onde que particule – pourrait comprendre de la matière noire et résoudre simultanément un mystère sur la force nucléaire puissante. L’expérience de la matière noire Axion (ADMX) a récemment commencé à rechercher des axions se désintégrant en paires de photons à l’intérieur d’un puissant champ magnétique, et plusieurs recherches similaires sont en cours.

Certaines expériences visent des choses encore plus légères. La plus légère que la matière noire puisse être est environ un millième de billionième de billionième de la masse de l’électron – ce qui donnerait une particule qui ressemble à une onde de très faible énergie, avec une longueur d’onde de la taille d’une petite galaxie. Des entités plus légères (et donc plus longues) seraient trop diffuses pour expliquer pourquoi les galaxies collent ensemble.

Indices d’en haut

Alors que les expérimentateurs préparent la prochaine génération d’appareils recherchant un contact direct avec la matière noire, d’autres prévoient de parcourir le ciel à la recherche de panneaux indicateurs indirects.

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Written by SasukE

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