Les indices directs de l’existence de la matière noire sont peut-être à basse énergie

matiere noire plasmon
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Introduite pour la première fois en 1933 par Fritz Zwicky, puis approfondie dans les années 1970 par Vera Rubin, l’idée de la matière noire a fait son chemin et occupe aujourd’hui un domaine de recherche extrêmement actif. Cependant, après des décennies de recherche, les physiciens n’ont toujours détecté aucune particule de matière noire. Alors qu’initialement les recherches se portaient sur des particules massives tels que les WIMPs, qui n’ont donné aucun résultat, les physiciens ont réorienté leurs recherches vers des particules bien plus légères. Et aujourd’hui, deux études conjointes sont les premières à proposer un nouvel axe de recherche : la détection de plasmons produits par la matière noire dans la nouvelle génération de détecteurs solides, installés récemment à travers le monde. 

En l’absence de signe définitif de WIMPs émergeant d’années de recherche minutieuse, les physiciens ont élargi la portée de leur quête de la matière noire. Alors que de nouvelles expériences plus précises accélèrent la collecte de données, les chercheurs réévaluent les théories sur la façon dont des particules de matière noire plus légères qu’un proton pourraient apparaître dans leurs détecteurs. Deux articles publiés sur le serveur de préimpression arXiv au début de cette année sont emblématiques de ces objectifs changeants.

Une nouvelle piste de recherche concernant la matière noire de faible masse

Ils sont les premiers à proposer qu’un détecteur puisse trouver des plasmons — agrégats d’électrons se déplaçant ensemble dans un matériau — produits par la matière noire. La première étude a été menée par un groupe de chercheurs sur la matière noire au Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab). Ils proposent que la matière noire de faible masse puisse produire des plasmons — qu’ils prétendent que certains détecteurs peuvent déjà voir. Inspirés par ce premier article, les physiciens Tongyan Lin et Jonathan Kozaczuk, tous deux de l’Université de Californie, ont calculé la probabilité qu’aurait la matière noire de faible masse de générer des plasmons dans un détecteur.

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« Les plasmons sont un phénomène existant convaincant qui, selon nous, pourrait être pertinent pour interpréter les expériences sur la matière noire », explique Gordan Krnjaic, théoricien de la matière noire au Fermilab . Les physiciens et astrophysiciens des particules spéculent sur la façon de détecter la matière noire de faible masse depuis près d’une décennie. Mais ils n’avaient pas envisagé auparavant la recherche de plasmons — qui sont plus familiers aux chimistes et aux spécialistes des matériaux — comme signature.

D’autres chercheurs sont plus dubitatifs sur le premier article. Cette étude n’est « pas du tout convaincante pour moi, je ne vois tout simplement pas comment cela fonctionne », explique Kathryn Zurek, théoricienne de la matière noire au California Institute of Technology.  Noah Kurinsky, co-auteur du premier article et théoricien de la matière noire au Fermilab et au Kavli Institute for Cosmological Physics, prend la critique des physiciens positivement. « Nous les avons mis au défi de nous prouver le contraire, ce qui, à mon avis, est super sain dans ce domaine. Et c’est exactement ce qu’ils devraient essayer de faire ».

À faible énergie, la matière noire pourrait produire des plasmons

« Alors que nous allons vers des masses de matière noire plus basses, il y a d’autres effets plus subtils qui commencent à se manifester », explique Lin. Ces effets subtils incluent ce que les physiciens appellent des « excitations collectives ». Lorsque plusieurs particules se déplacent en même temps, elles peuvent être décrites comme une seule entité, tout comme une onde sonore est composée de multiples atomes vibrants.

Les plasmons se produisent lorsqu’un groupe d’électrons subit de tels mouvements. Lorsqu’un groupe de noyaux atomiques vibre, leur excitation collective est plutôt appelée phonon. Ces phénomènes sont généralement considérés comme non pertinents par les astrophysiciens et les physiciens des hautes énergies qui étudient la matière noire.

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Illustration de l’excitation indirecte du plasmon à travers un événement de diffusion dure, où la quantité de mouvement transmise est principalement véhiculée par plusieurs phonons, tandis que l’énergie transmise est portée par le plasmon à faible quantité de mouvement. Crédits : Noah Kurinsky et al. 2020

Les deux articles adoptent des approches légèrement différentes concernant la production de plasmon. Ils arrivent cependant à la même conclusion : nous devons vraiment être à l’affût de tels signaux. En particulier, Lin et Kozaczuk ont ​​calculé que la matière noire de faible masse créerait des plasmons à environ un dix millième du taux de production directe d’un électron ou d’un photon. Ce chiffre peut sembler peu fréquent, mais il est plus que suffisant pour les physiciens qui cherchent à être précis.

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Jusqu’à récemment, les détecteurs de matière noire les plus sensibles utilisaient des cuves géantes de xénon liquide. Au cours des dernières années, cependant, une nouvelle génération de petits détecteurs solides a fait ses débuts. Connus par des acronymes tels que EDELWEISS III, SENSEI et CRESST-III, ils sont faits de matériaux tels que le germanium, le silicium et la scheelite et sont sensibles aux collisions de matière noire qui ne créeraient qu’un seul électron.

Sur le même sujet : Une particule exotique pourrait constituer un nouveau candidat à la matière noire

Traquer les signatures à basse énergie à travers les différents détecteurs

Mais tous les détecteurs, aussi bien protégés soient-ils, subissent le bruit de sources telles que le rayonnement de fond. Ainsi, au cours de la dernière année, lorsque les physiciens utilisant plusieurs détecteurs de matière noire ont commencé à voir plus de signaux à basse énergie que prévu, ils sont restés plutôt silencieux à ce sujet.

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Graphique montrant le taux d’excès à basse énergie en fonction de la profondeur pour différents types de détecteurs. Crédits : Noah Kurinsky et al. 2020

L’article de Kurinsky et de ses collègues a été le premier à souligner la remarquable similitude entre les « excès » de basse énergie observés à travers des expériences disparates de matière noire. Plusieurs excès semblent se regrouper autour d’une valeur de 10 hertz par kilogramme de masse de détecteur. Parce que les détecteurs sont faits de matériaux différents, sont situés dans des endroits différents et fonctionnent dans des conditions différentes, il est difficile de trouver une raison universelle pour cette troublante harmonie, sauf pour l’influence subtile de la matière noire.

Cette discussion a attiré l’attention d’autres physiciens, tels que Lin, qui s’est rapidement mis au travail sur les calculs de plasmon. Mais même elle doute que ce que les expériences voient actuellement soit le résultat de la création de plasmons par la matière noire. « Je ne dis pas que cela ne pourrait pas être de la matière noire. Mais cela ne me semble pas convaincant pour l’instant ».

Sources : arXiv (1, 2)

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