Clefs n°58 Automne 2009
Clefs n°58 Automne 2009
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°58 de Automne 2009

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 168

  • Taille du fichier PDF : 7,3 Mo

  • Dans ce numéro : dans les secrets de l'Univers.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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78 L’astrophysique et l’exploration de l’Univers matière noire W W matière noire Figure 1. Diagramme de Feynman (d’après le physicien Richard Feynman, prix Nobel en 1965) illustrant l’annihilation de la matière noire en produits finaux ordinaires. Les physiciens utilisent ce type de diagramme pour calculer les propriétés du flux attendu : chaque diagramme décrit, de façon mathématique précise, les caractéristiques des particules et de leurs interactions. Dans ce cas, deux particules de matière noire s’approchent et s’annihilent en deux bosons faibles Z. L’annihilation se produit par la création et l’immédiate destruction d’une boucle compliquée de bosons W. Ensuite, les bosons Z se désintègrent en particules de matière ordinaire, tels que des photons, des neutrinos, des positrons, des antiprotons, etc. Ces produits finaux sont activement recherchés par plusieurs expériences sur Terre et sur des satellites en orbite. CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 W Z Z v (antineutrino) v (neutrino) e + (positron) (photon) p (antiproton) p (proton) (photon) e - (électron) pas de charge électrique et donc elle n'interagit pas avec la lumière (d'où son nom de matière « noire »). Deuxièmement, les données cosmologiques nous apprennent qu'elle doit être « froide » (c’est-à-dire se déplaçant à une vitesse beaucoup plus faible que celle de la lumière) – le cas d’une particule assez lourde ou produite au repos. Enfin, comme elle a probablement été produite aux premiers instants de l'Univers, elle doit être stable ou avoir une très longue durée de vie moyenne, supérieure à l'âge de l'Univers actuel. Dans le cas contraire, elle se serait désintégrée en particules ordinaires dans le passé. Les faibles interactions de la matière noire avec le reste de la matière pourraient bien être les interactions faibles du Modèle standard, par exemple celles responsables de la désintégration radioactive bêta. Les théoriciens considèrent comme très probable cette hypothèse. En effet, les calculs montrent que l'abondance actuelle d'une particule produite lors du big bang avec des propriétés typiques des interactions faibles serait précisément celle de la masse manquante. On appelle WIMPs (pour Weakly Interacting Massive Particles) de telles particules. Quelques candidats répondant au profil souhaité De nombreuses particules ayant ces propriétés, et donc candidates au rôle de matière noire, ont été proposées dans le cadre de théories nouvelles de la physique des particules. Parmi les plus étudiées figure le neutralino en supersymétrie. Introduite en physique des particules dans les années 1980, cette (2)Theodor Franz Eduard Kaluza (1885-1954), physicien et mathématicien allemand, le premier qui imagina une théorie avec des dimensions supplémentaires pour l’Univers. Oskar Klein (1894-1977), physicien théoricien suédois, ayant inventé l’idée que les dimensions supplémentaires peuvent exister physiquement mais sont enroulées et très petites. théorie très élégante propose que, pour chaque particule ordinaire, il y ait une particule partenaire supersymétrique dotée des mêmes propriétés (par exemple, de la même charge électrique) mais d'une masse beaucoup plus élevée, estimée à une centaine de gigaélectronvolts environ. Le neutralino figure au nombre de ces particules, ou, plus précisément, un mélange de partenaires supersymétriques du photon, du boson Z et du boson de Higgs. De plus, le neutralino serait doué d'une propriété addi - tionnelle (nommée R-parité, une sorte de nouvelle charge) qui, du fait des lois de la nature, ne peut disparaître dans aucun processus physique. En conséquence, il n’est pas possible au neutralino de se désintégrer en particules ordinaires : il serait ainsi stable. Voici pourquoi le neutralino figure comme un bon candidat pour jouer le rôle de matière noire, faisant aussi partie de la catégorie des WIMPs. L'abondance des paramètres théoriques rend ensuite plus riche et plus complexe la phénoménologie de la matière noire supersymétrique. La masse, la composition et les interactions précises des différents composants ont été étudiées en détail pour plusieurs modèles. Vers la fin des années 1990, des scénarios à dimensions spatiales supplémentaires (dites de Kaluza- Klein (2), en hommage aux deux théoriciens vision naires qui les avaient conçus au début du XX e siècle), sont revenus à l'attention des chercheurs. Leur hypothèse est qu’il existerait une cinquième dimension venant s’ajouter aux trois dimensions spatiales et au temps. Sa formation en boucles extrêmement petites la rendrait inaccessible à l'observation directe. Une particule plongée dans cet espace Le satellite italo-russe PAMELA (pour Payload for Antimatter Exploration and Light-nucleiAstrophysics) peu avant le lancement dans une fusée, en 2006. Les données envoyées par le satellite ont révélé l’existence de rayons cosmiques anormaux qui ont bouleversé la communauté des scientifiques travaillant sur la matière noire. Sont-ils dus à l’annihilation de particules de matière noire dans le halo de la galaxie ? Pamela collaboration
4+1 dimensionnel ressemble à une véritable tour de particules semblables dont les masses croissent par paliers d'environ 1 téraélectronvolt. Dans l’hypothèse où la « marche zéro » de cette tour se composerait de matière ordinaire (soit une projection quadridimensionnelle de la réalité 5-dimensionnelle) alors, la première marche en serait une copie lourde. Or, si un mécanisme additionnel, dit parité de Kaluza-Klein, impose la stabilité des particules de la première marche de la même façon que la R-parité en supersymétrie, alors ces particules lourdes constituent des parfaits candidats pour la matière noire – ce qui fut proposé notamment par Géraldine Servant, de l’Institut de physique théorique du CEA, en 1999. La matière noire supersymétrique et de Kaluza-Klein ont stimulé la plupart des études théoriques et des recherches expérimentales depuis les années 1980. Néanmoins, les chercheurs ayant gardé leur esprit ouvert, de nombreuses autres propositions furent avancées. Par exemple, dans la catégorie de matière noire WIMP, des modèles dits « de matière noire minimale » proposent d’ajouter au modèle standard, non pas un secteur entier de copies, mais seulement les particules strictement nécessaires pour jouer le rôle de la matière noire. Autres hypothèses : celle des « neutrinos stériles », particules similaires aux neutrinos normaux mais plus lourds et sans interaction avec la matière ordinaire ; ou encore celle des axions, particules légères produites, peut-être, pendant les premiers instants d'évolution bouillante de l'Univers. Avec plusieurs candidats pour un seul poste, comment identifier le bon ? Ce grand nombre de « candidats » traduit le fort intérêt des scientifiques pour l’ensemble de ces questions. Mais il reflète également un manque évident de données expérimentales directes. Heureusement, les prochaines années paraissent prometteuses. Une combinaison de différentes techniques expérimentales sera sans doute nécessaire pour distinguer les différentes théories et parvenir à identifier la nature de la matière noire. Un grand espoir repose sur la production de matière noire par le Large Hadron Collider (LHC), l'accélérateur de particules du Cern, l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (voir l’encadré, p.80). Une autre perspective concerne la détection des produits finaux de l'annihilation de deux particules de matière noire dans le halo galactique (figure 1). Un troisième axe compte sur les expériences souterraines sensibles comme Edelweiss (voir l’encadré p.80) dont le CEA est un acteur majeur, visant à détecter un phénomène particulièrement rare : la collision d'une particule de matière noire de passage. Cette activité expérimentale gigantesque et pluridirectionnelle, indispensable pour tester les différentes prédictions, s’accompagne d’une intense activité théorique. Ainsi, l’observatoire en orbite PAMELA (pour Payload for AntiMatter Exploration and Light-nucleiAstrophysics), lancé par une fusée russe, en 2006, a-t-il récemment décelé des rayons cosmiques « anormaux », peut-être produits par les annihilations de la matière noire galactique. Ces données, difficilement explicables en termes de matière noire La recherche fondamentale en physique des particules a fait d’énormes progrès pour valider un cadre théorique appelé Modèle standard. De nouvelles particules, comme le boson de Higgs et de nouveaux processus sont attendus dans le cadre des expériences du LHC visant à élargir ce modèle. Une de ces nouvelles particules sera-t-elle la matière noire ? supersymétrique ou par la théorie de Kaluza-Klein, suscitent déjà la construction de nombreux nouveaux modèles. Le problème de la matière noire établit des liens étroits entre la physique des particules, la cosmologie et l'astrophysique. Il est probable que, désormais, ce problème à l'échelle galactique et cosmologique se résoudra avec un nouvel état des plus petits constituants de la matière. L'exploration de la physique à l'échelle du téraélectronvolt au LHC, les observations astronomiques en rayons gamma du satellite Fermi ainsi que la prochaine génération de détecteurs souterrains issus de l’expérience Edelweiss, laissent augurer que la matière noire dévoilera bientôt son secret. > Marco Cirelli et Camille Bonvin Institut de physique théorique (Unité de recherche associée au CNRS) Direction des sciences de la matière (DSM) CEA Centre de Saclay CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 79 P.Stoppa/CEA



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