Matière noire : les bosons noirs se cachent-ils dans l’interaction entre les neutrons et les électrons ?

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Bien qu’elle soit une hypothèse majoritaire du modèle cosmologique standard, la nature de la matière noire est encore totalement inconnue. Au cours des dernières années, de nombreux candidats ont été suggérés et, parmi ceux-ci, les bosons noirs. Il s’agirait de bosons au-delà du Modèle Standard responsables de la présence de matière noire et pouvant se manifester dans l’interaction entre les électrons et les neutrons. Récemment, deux expériences ont été menées afin de détecter une éventuelle signature de ces bosons hypothétiques. Si l’une des deux n’a rien observé d’inhabituel, l’autre a cependant obtenu de curieux résultats. Et une des hypothèses avancées pour les expliquer serait la présence de bosons noirs.

Contrairement aux bosons classiques, tels que les photons et les gluons, un échange de bosons noirs affecterait à peine leur environnement immédiat. S’ils existaient, en revanche, leur énergie collective pourrait être responsable de la matière noire. Les deux études — l’une menée par des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT), l’autre par l’Université d’Aarhus au Danemark — ont recherché des différences subtiles dans le positionnement d’un électron dans un isotope lorsqu’il transitait entre les niveaux d’énergie atomique.

Deux expériences aux résultats contradictoires

Une oscillation pourrait être un signe de la présence de bosons noirs. Ce boson, en théorie, proviendrait d’une interaction entre l’électron et les quarks constituant les neutrons dans le noyau de l’atome. L’équipe dirigée par le MIT a utilisé une poignée d’isotopes d’ytterbium pour son expérience, tandis que le calcium était l’élément de choix pour le groupe dirigé par l’Université d’Aarhus.

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Schéma montrant les propriétés d’une nouvelle force intra-atomique entre électron (e-) et neutron (n) médiée par l’échange virtuel d’un hypothétique nouveau boson ϕ. Le couplage aboutit à un potentiel de type Yukawa qui modifie les niveaux d’énergie atomique et peut être sondé par spectroscopie à déplacement isotopique. Crédits : Ian Counts et al. 2020

Les deux expériences ont intégré leurs données sur un type de graphique spécifique à la mesure de ces classes de mouvements dans les isotopes. Alors que l’expérience à base de calcium a donné le résultat prévu, le graphique de l’ytterbium était inhabituel, avec un écart statistiquement significatif dans la linéarité du graphique.

Toutefois, cela ne constitue pas une preuve en soi. D’une part, si un boson peut expliquer ces nombres, il en va de même pour un processus dans la manière dont ils effectuent les calculs, un type de correction appelé décalage de champ quadratique. La raison exacte pour laquelle une expérience aurait pu trouver quelque chose d’étrange et l’autre n’a rien trouvé du tout, nécessite également une explication.

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Matière noire : la recherche de particules au-delà du Modèle Standard

Bien que l’ajout de nouveaux bosons au-delà du Modèle Standard ne soit pas véritablement interdit, cela nécessiterait certains ajustements. Dans tous les cas, la chasse aux candidats composant la matière noire est toujours aussi active. En début d’année, l’expérience XENON1T a fait parler d’elle devant le nombre d’électrons de recul détectés, signature potentielle de la présence d’axions.

En 2016, un type de candidat à la matière noire appelé boson de Madala aurait été repéré parmi les données collectées par le Grand collisionneur de hadrons dans sa recherche de la particule de Higgs. Cette particule pourrait être considérée comme une sorte de version sombre du boson de Higgs. Toutefois, le CERN avait douché l’excitation des physiciens, rappelant que rien dans les données n’indiquait la présence d’un tel boson. Il faudra donc attendre encore un peu pour percer le secret de la matière noire.

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Sources : Physical Review Letters (1, 2)

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