mercredi 21 janvier 2015

Matière Noire : 2015 sera-t-elle l'année des WIMPs ?

2015 verra la mise en route de deux machines exceptionnelles, qui pourraient peut-être enfin mettre en évidence le candidat préféré des physiciens pour jouer le rôle de la matière noire : la particule supersymétrique la plus légère, la WIMP (weakly interacting massive particle), aussi appelée le neutralino.


Le détecteur CMS du LHC (CERN)
L'une des deux machines est bien connue, il s'agit du LHC (Large Hadron Collider), le grand accélérateur-collisionneur de protons du CERN. Le LHC est arrêté depuis 2013, depuis sa très belle découverte-production du boson de Higgs. Il n'a pas été arrêté pour cause de panne, mais pour être mis à niveau, amélioré significativement. Sa remise en route est prévue pour dans quelques semaines, il bénéficiera alors d'une intensité de faisceau bien supérieure à celle de 2013, et surtout d'une énergie presque doublée. Alors que les protons se collisionnaient au maximum à 8 TeV en 2013, l'énergie montera jusqu'à 13 TeV à partir de cette année.
Avec tout ce surplus d'énergie et d'intensité, le LHC avec ses différents énormes détecteurs, notamment ATLAS et CMS, ceux-là même qui ont permis la découverte du boson de Higgs, devrait permettre de produire et détecter indirectement des particules dites supersymétriques, des sortes de particules-miroir des particules que nous connaissons.
Schéma du l'installation de XENON1T dans le hall B
du Laboratoire du Gran Sasso (XENON collaboration)

La théorie de la supersymétrie a été imaginée il y a déjà plus de 40 ans. Si on n'a encore jamais vu de particules supersymétriques, c'est peut-être parce que leur masse est très importante, qu'elles sont instables, qu'elles interagissent très faiblement avec la matière qui nous est ordinaire, ou bien... qu'elles n'existent en fait pas. D'après la théorie, il peut exister une seule particule supersymétrique qui serait stable, ne se désintégrant pas, et de fait la plus légère d'entre toutes les particules supersymétriques, la seule qui pourrait persister depuis le début de l'histoire de l'univers. Elle est appelée le neutralino. On ne sait pas quelle masse elle devrait avoir, le plus probable est qu'elle se situe entre 1 GeV et 1000 GeV, c'est à dire une masse comprise entre celle d'un proton et de 1000 protons.
Le LHC peut en théorie produire des neutralinos (s'ils existent), via la création de nombreuses particules dans ses collisions protons-protons à très haute énergie. Il faut avant tout produire le maximum de réactions entre particules et avec la plus grande énergie possible pour avoir un espoir de "voir" apparaître des particules supersymétriques, que ce soit la plus légère, le neutralino, ou d'autres un peu plus lourdes et instables. Ce ne sera pas une détection directe de ladite particule, mais une observation de désintégrations un peu bizarres de particules plus classiques, qui ne pourront s'expliquer que par la présence fantôme de ce type de particules supersymétriques dans l'inventaire des particules ayant été produites dans le collisionneur. Ce point de fonctionnement du LHC est en fait le fonctionnement nominal pour lequel le collisionneur a été conçu, la découverte du boson de Higgs n'a ainsi été faite que dans un mode restreint de cette incroyable machine...
Elena Aprile, porte-parole de la collaboration XENON posant
à l'intérieur du réservoir à eau entourant le cryostat
du détecteur XENON1T (XENON collaboration)

La seconde expérience exceptionnelle, capable en théorie de mettre en évidence des WIMPs, devrait entrer en fonction dans le courant de l'été, c'est l'expérience XENON1T, installée au laboratoire souterrain du Gran Sasso, en Italie. XENON1T est l'évolution des expériences XENON10 de 2010 puis XENON100 en 2012 et est conçue et exploitée par une collaboration internationale d'une centaine de chercheurs, dont des physiciens français. Il s'agit d'un gigantesque détecteur de WIMPs contenant plusieurs tonnes de xénon liquide/gazeux. XENON1T est un détecteur de type chambre à projection temporelle, qui doit détecter directement les collisions de WIMPs provenant de toutes les directions, avec les noyaux atomiques de xénon. Chaque collision de WIMP produit à la fois un signal de luminescence et un signal d'ionisation dans les 3,5 tonnes de xénon utilisées. C'est exactement la même technologie que celle déployée par l'expérience américaine LUX qui a beaucoup fait parler d'elle fin 2013 car étant la plus sensible au monde dans ce type de détection directe et n'ayant rien détecté. Mais XENON1T aura une sensibilité 50 fois plus grande que celle de LUX...
Beaucoup d'espoirs sont mis sur ces deux expériences très différentes pour 2015 et 2016, même si la chasse aux WIMPs continue aussi sur d'autres terrains, notamment par l'observation de signes astrophysiques indirects  de la présence de ces particules, sous forme de rayons gamma particuliers et inexpliqués par ailleurs. 
Rendez vous fin 2015 pour une synthèse des premiers résultats ?



7 commentaires :

sixenligne atmo a dit…

Bonjour,
A la lecture de votre article, il me vient 2 questions :
1. comment est-il possible que des particules massives n'interagissent que très peu avec la matière baryonique? ("peut-être parce que leur masse est très importante, qu'elles sont instables, qu'elles interagissent très faiblement avec la matière")
2. Vous parlez de "collisions proton-antiproton" mais je ne comprends pas comment cela est possible vu les particules et antiparticules associées sont censés s'annihiler quand elles se rencontrent.
Merci.

Dr Eric SIMON a dit…

Bonjour,
Les interactions des particules supersymétriques avec la matière baryonique se fait via un couplage différent de ce que l'on connaît dans l'interaction électrofaible, la masse de la particule n'a pas de lien direct avec l'intensité de la force d'interaction.
Concernant les collisions du LHC, merci d'avoir remarqué cette erreur, aux temps pour moi, il s'agit bien de collisions protons-protons, j'ai corrigé le texte. Merci pour votre lecture attentive!

sixenligne atmo a dit…

Merci pour vos réponses et je profite de ce commentaire pour vous remercier pour vote excellent blog. J'attends chaque nouvelle article avec impatience.
Cependant une autre erreur s'est glissée dans votre réponse : "aux temps pour moi" s'écrit "autant pour moi".
Allez! je suis parti découvrir l'ensemencement en métal de l'univers par les galaxies ;)

Dr Eric SIMON a dit…

Merci! L'expression consacrée est bien "aux temps pour moi", je vous invite à vérifier!

Pascal Lauvergnat a dit…

Planck2014 a exclu les wimps d'une zone de l'espace masse-section efficace ; comment se situent dans cet espace les expériences de production (LHC) et de détection directe (Xénon1T en particulier)?

Dr Eric SIMON a dit…

Je n'ai pas de connaissance de comparaison directe sur un même plot des zones déjà exclues par les premiers runs au LHC et les manips de détection directe, d'autant qu'on ne compare pas la même chose (à part la masse de la WIMP en abscisse). Dans un cas il s'agit de sections efficaces d'annihilation et dans l'autre de sections efficaces de diffusion élastique sur le proton. Ce qu'on peut dire, c'est que les manips du type XENON1T, LUX ou la future EURECA excluent leur plus vaste zone entre 10 GeV et 100 GeV, puis leur sensibilité remonte assez vite à plus haute énergie (zone d'exclusion moins vaste). Entre 10 et 100 GeV, la limite de Planck2014 se situe environ à 10^-26 cm^3/s, ce qui correspond à la section efficace d'annihilation si le neutralino est une relique "thermique", il commence à exclure de fait ce modèle générique (aussi pris comme hypothèse dans les manips de détection directe), surtout entre 10 GeV et 30 GeV. Les modèles de matière noire de AMS-02 totalement exclus par Planck se situent à beaucoup plus haute énergie et très loin de la zone "relique thermique". Pour faire court : en dessous de 10 GeV point de salut, quelle que soit le type de détection, si le neutralino est bien une relique thermique..., ce qui n'est pas forcément le cas non plus...

sixenligne atmo a dit…

Vous m'avez encore appris un truc :D en fait, les 2 s'écrivent apparemment selon le contexte.