La matière noire ne dégage peut-être pas de lumière ou de rayonnement, mais nous pourrions la voir se briser en atomes ici sur Terre.
La matière noire représente 85% de toute la matière de l’Univers, mais les astronomes ne l’ont jamais vue. La nature de ce mystérieux – quelque chose – reste largement inconnue.
La masse que nous appelons matière noire ne dégage ni lumière, ni chaleur, ni ondes radio, ni aucune autre forme de rayonnement électromagnétique. Mais les astronomes et les physiciens savent qu’il y a quelque chose (et beaucoup de choses) qui existe. Sans matière noire, les galaxies se déchireraient et des amas de galaxies voleraient en éclats. Ce lien gravitationnel entre la matière noire et la matière « normale » est la façon dont il a été détecté pour la première fois.
Peut-on voir la matière noire ? Pour ce faire, on utilise ces détecteurs blancs avec un intérieur doré, ressemblant à un éclairage de piste.
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La matière noire peut également interagir avec les protons et les neutrons dans le noyau des atomes, produisant des éclairs de lumière (et d’autres signaux) appelés diffusion. Cela ressemble à une paire de personnes marchant dans une pièce complètement obscure. Bien qu’il soit impossible de voir l’autre personne, un participant peut entendre le le son de leur partenaire lorsqu’ils posent leur orteil sur le coin d’une table.
Juste un peu de lumière
Une nouvelle étude suggère maintenant d’utiliser ce phénomène pour détecter matière noire car il interagit avec la matière « normale » des détecteurs déjà en service dans le monde entier.
Les chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab/LBL) et de l’UC Berkeley proposent de rechercher des interactions entre matière noire et les noyaux des atomes. Ceux-ci peuvent entraîner la libération d’électrons chargés négativement, ou neutrinos (particules élémentaires n’ayant aucune charge et presque aucune masse).
Dans la vidéo ci-dessus, la physicienne Janet Conrad du MIT explique ce que nous savons, jusqu’à présent, sur les neutrinos, et pourquoi ils sont si difficiles à détecter.
Les neutrinos agissent comme des particules fantômes, passant facilement à travers la matière, car ils se transforment continuellement d’une forme à l’autre. Chaque seconde, des centaines de billions de neutrinos traversent votre corps, sans interagir avec la matière qui vous compose.
Ces particules ont été proposés pour la première fois vers 1930 par le physicien Wolfgang Pauli, sur la base de ses études théoriques sur la décroissance radioactive. Il voulait à l’origine appeler les particules chargées neutres des neutrons, mais n’a pas publié sa suggestion. Ce nom a rapidement été repris par la découverte de la particule que nous appelons aujourd’hui neutrons.
Pauli a rapidement choisi le nom de neutrino pour sa particule proposée, qui signifie « petit neutre » en italien. Ces éléments constitutifs de la matière ont été trouvés pour la première fois lors d’expériences en 1956.
Qui avez-vous appelé un WIMP ?
Plusieurs théories sur la nature de la matière noire ont été suggérées, et l’une des principales candidates est celle des WIMP (particules massives à faible interaction). Ces particules supposées n’interagissent entre eux que par la gravitéet la faible force qui entraîne certaines formes de désintégration radioactive.
Les particules WIMP semblent être compatibles avec le modèle standard – l’ensemble des équations et des théories qui permettent de prédire le comportement à grande échelle des particules subatomiques.
Cependant, la recherche de WIMP s’est jusqu’à présent avérée infructueuse, ce qui a poussé les chercheurs à proposer d’autres moyens pour rendre compte des effets de la matière noire.
« Le paradigme WIMP est très facile à intégrer dans le modèle standard, mais nous ne l’avons pas trouvé depuis longtemps », a déclaré Jeff Drorun chercheur postdoctoral au Berkeley Lab.
Une nouvelle analyse des données déjà collectées par les accélérateurs de particules pourrait révéler la présence de matière noire, suggèrent les chercheurs.
Le métro des neutrinos
« Les neutrinos seuls, parmi toutes les particules connues, ont des propriétés éthérées qui sont assez frappantes et romantiques à la fois pour avoir inspiré un poème de John Updike et pour avoir envoyé des équipes de scientifiques sous terre pendant 50 ans pour construire d’énormes engins de science-fiction afin de percer leurs mystères ». – Lawrence M. Krauss
Une possibilité pour aider à expliquer les effets de la matière noire serait de découvrir des particules, telles que les neutrinos stériles, qui n’interagissent avec d’autres matières que par la gravité.
« Cela les rendrait encore plus difficiles à repérer que les délicats neutrinos « ordinaires ». La gravité est la plus faible de toutes les forces, et les neutrinos sont très légers – ils ne donnent donc pas beaucoup de possibilités de travailler avec la gravité. Trouver de légers signaux au milieu du chaos de l’univers sera difficile, mais pas impossible », ont déclaré les chercheurs du Laboratoire national de l’accélérateur Fermi expliquer.
Dans la vidéo ci-dessus, une photo time-lapse de l’installation du détecteur intérieur du détecteur LZ. Cet instrument restera scellé pendant cinq ans jusqu’à sa mise hors service.
Les chercheurs se sont intéressés à deux types d’interactions entre la matière noire et la matière ordinaire.
Au cours du premier, le processus de courant neutre, les particules de matière noire interagissent avec les particules subatomiques qui composent les atomes de l’instrument.
« Les recherches de diffusion recherchent une particule de DM déposant son énergie cinétique sur une cible à l’intérieur du détecteur, généralement un noyau ou un électron », indiquent les chercheurs dans un article publié dans le Lettres d’examen physique.
La deuxième classe de ces interactions est l’étude des courants chargés, dans laquelle ce recul s’accompagne de la libération d’un électron. Ces interactions chargées peuvent également créer un effet domino des réactions, entraînant la libération de particules des noyaux à l’intérieur des atomes.
La bonne technologie pour un travail obscur
Un détecteur conçu pour rechercher ces signaux doit être extrêmement sensible, avec peu de « bruit » de fond.
Le projet LUX-ZEPLIN (LZ) vise à trouver de la matière noire, en utilisant un détecteur de matière noire placé dans une mine désaffectée du Dakota du Sud. L’instrument contient 10 tonnes (11 tonnes) de xénon liquide.
Les chercheurs suggèrent que les données recueillies par d’autres détecteurs de neutrinos au xénon pourraient être utilisées dans la recherche de preuves de la présence de matière noire.
« Les données sont déjà là, en gros. Il suffit de les regarder ». a déclaré M. Dror.
Les signaux produits en tant que neutrinos On peut prédire les protons ou les neutrons qui frappent à l’intérieur du noyau d’un atome. La détection de ces signaux, s’ils se produisent, pourrait être plus facile que d’autres moyens de détecter directement la présence de la matière noire, suggèrent les chercheurs.
L’équipe au centre de cette étude travaille activement avec d’autres chercheurs qui ont peut-être déjà recueilli les données nécessaires pour examiner cette idée.
Ces techniques décrites dans l’étude pourraient ouvrir de nouvelles recherches pour matière noire des particules ayant des énergies des milliers de fois supérieures à ce que permet la technologie actuelle.
Cet article a été publié à l’origine sur Le compagnon cosmique par James Maynardfondateur et éditeur de The Cosmic Companion. Il est originaire de la Nouvelle-Angleterre et est devenu un rat du désert à Tucson, où il vit avec sa charmante épouse, Nicole, et Max le Chat. Vous pouvez lire cette pièce originale ici.
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