L'émergence de la matière noire
Parfois, il semble que ce soit la matière noire elle-même qui se venge des scientifiques pour l'inattention avec laquelle sa découverte a été rencontrée il y a plus de 80 ans. Puis, en 1933, l'astronome américain d'origine suisse Fritz Zwicky, observant six cents galaxies dans l'amas Coma situé à 300 millions d'années-lumière de la Voie lactée, découvrit que la masse de cet amas, déterminée en fonction de la vitesse de déplacement des galaxies, est 50 fois supérieure à la masse calculé en estimant la luminosité des étoiles.
N'ayant pas la moindre idée de ce qu'est cette différence de masse, il lui a donné la définition désormais officielle - matière noire.
Pendant très longtemps, très peu de gens se sont intéressés à la matière noire. Les astronomes pensaient que le problème de la masse cachée serait résolu par lui-même lorsqu'il serait possible de collecter des informations plus complètes sur le gaz cosmique et les étoiles très faibles. La situation n'a commencé à changer qu'après que les astronomes américains Vera Rubin et Kent Ford ont publié les résultats des mesures de la vitesse des étoiles et des nuages de gaz dans la grande galaxie spirale M31 - la nébuleuse d'Andromède en 1970. Contre toute attente, il s'est avéré que loin de son centre, ces vitesses sont à peu près constantes, ce qui contredit la mécanique newtonienne et n'a été expliquée que sur l'hypothèse qu'une grande quantité de masse invisible entoure la galaxie.
Lorsque vous rencontrez un phénomène dont on ne sait rien, alors un grand nombre d'explications peuvent lui être attribuées, et il ne reste plus qu'à les trier une par une, en balayant les inutiles et en en inventant de nouvelles en cours de route. De plus, ce n'est pas un fait que parmi toutes ces explications, ce sera correct. Le comportement inapproprié des étoiles périphériques pourrait s'expliquer en se déplaçant dans deux directions - en corrigeant légèrement les lois de Newton ou en reconnaissant qu'il y a de la matière dans le monde qui est différente du nôtre, que nous ne voyons pas, car les particules dont elle est composée ne participent pas à l'interaction électromagnétique, alors ils n'émettent pas de lumière et ne l'absorbent pas, n'interagissant avec notre monde que par gravité.
Newton avait-il tort?
La première direction, c'est-à-dire la correction contre-newtonienne, s'est développée plutôt lentement. Certes, en 1983, le théoricien israélien Mordechai Milgrom a créé la soi-disant mécanique newtonienne modifiée, dans laquelle les petites accélérations réagissent à une force agissante un peu différemment de la façon dont on nous a enseigné à l'école. Cette théorie a trouvé de nombreux adeptes et a été rapidement développée à un point tel que le besoin de matière noire a disparu. Il est à noter que Vera Rubin elle-même, pionnière de renommée internationale dans l'étude de la matière noire, a toujours été encline à modifier les lois de Newton - il semble qu'elle n'aimait tout simplement pas l'idée d'une substance abondante, mais que personne n'a jamais vue.
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La wimp insaisissable
Il existe de nombreux candidats pour les particules de matière noire, et pour la plupart d'entre eux, il existe un nom généralisant et presque dénué de sens "WIMPs" - c'est l'abréviation anglaise WIMPs, dérivé du terme "Weakly Interacting Massive Particles", ou "faiblement interagissant des particules massives". En d'autres termes, ce sont des particules qui ne participent qu'aux interactions gravitationnelles et faibles - son effet s'étend à des dimensions beaucoup plus petites que les dimensions du noyau atomique. C'est sur la recherche de ces WIMP comme explication la plus suggestive que s'orientent aujourd'hui les principaux efforts des scientifiques.
Les détecteurs WIMP, en particulier ceux qui les capturent pour le xénon, sont similaires en principe aux pièges à neutrinos. À un moment donné, on croyait même que le neutrino était le WIMP très insaisissable. Mais la masse de cette particule s'est avérée trop petite - on sait que 84,5% de toute la matière de l'Univers est de la matière noire et, selon les calculs, il n'y aura pas autant de neutrinos sur cette masse.
Le principe est simple. Prenons, par exemple, le xénon comme le plus lourd des gaz nobles, refroidi à des températures d'azote, et de préférence plus bas, protégé de tout «invité» inutile tel que les rayons cosmiques, de nombreuses cellules photoélectriques sont installées autour du récipient au xénon, et tout ce système, situé profondément sous terre, continue d'attendre. Parce qu'il faut attendre longtemps - selon les calculs, la longueur d'un piège au xénon, qui pourra capturer un WIMP le traversant avec une probabilité de 50%, devrait être de 200 années-lumière!
Ici, la capture signifie soit le vol de la wimp près de l'atome de xénon, et le vol à une telle distance à laquelle l'interaction faible fonctionne déjà, soit un coup direct dans le noyau. Dans le premier cas, l'électron externe de l'atome de xénon sera assommé de son orbite, qui sera enregistré par le changement de charge, dans le second, il sautera à un autre niveau et retournera immédiatement «à la maison» avec l'émission ultérieure d'un photon, qui sera alors enregistré par les photomultiplicateurs.
Sensation ou erreur?
Cependant, «simple» n'est pas tout à fait le mot juste lorsqu'il est appliqué aux détecteurs WIMP. Ce n'est pas très facile et très coûteux. L'un de ces détecteurs sous le nom simple Xenon a été installé dans le laboratoire souterrain italien du Gran Sasso. À ce jour, il a été modifié deux fois et porte désormais le nom Xenon1T. Il est soigneusement nettoyé des impuretés qui peuvent conduire à des signaux similaires aux signaux de la matière noire. Par exemple, à partir de l'un des polluants typiques - l'isotope radioactif krypton-85. Son contenu en xénon commercial n'est que de quelques parties par million, mais lorsque vous recherchez des WIMP, il est complètement sale. Par conséquent, à partir de la deuxième modification de l'installation - Xenon100 - les physiciens purifient en plus le xénon, réduisant la concentration du polluant à des centaines de parties par billion.
Détecteur XENON100
Photo: Wikimedia Commons
Et en allumant le détecteur, ils, bien sûr, ont dit le chéri "à peu près". Au cours de la première session d'observation de 100 jours, les scientifiques ont enregistré jusqu'à trois impulsions, très similaires aux signaux des WIMP volants. Ils ne se croyaient pas, même s'ils voulaient probablement vraiment le croire, mais c'était en 2011, déjà marqué par une forte ponction: les physiciens ont découvert que les neutrinos qui leur arrivaient du CERN lors d'une autre expérience volaient à une vitesse dépassant la vitesse de la lumière. Les scientifiques, ayant vérifié, semble-t-il, tout ce qui ne peut être vérifié, se sont tournés vers la communauté scientifique avec une demande pour voir ce qui n'allait pas. Les collègues ont cherché et n'ont pas pu trouver d'erreurs, disant, cependant, que cela ne pouvait pas être, parce que cela ne pourrait jamais être. Et c'est arrivé: la crevaison, en fait, n'était qu'un connecteur avec un mauvais contact, ce qui était difficile à remarquer.
Et maintenant, sous le poids d'un tel fiasco, les scientifiques sont à nouveau confrontés à un choix. S'il s'agit de WIMPS, il s'agit d'un prix Nobel garanti et immédiat. Et sinon? La deuxième fois, ils ne voulaient pas être déshonorés, et ils ont commencé à vérifier et revérifier. En conséquence, il s'est avéré que deux des trois signaux pourraient bien être des signaux parasites provenant d'atomes de polluants de fond, qui n'ont pas été complètement éliminés. Et le signal restant n'entrait dans aucune statistique du tout, le mieux serait donc de l'oublier et de ne plus s'en souvenir.
Le détecteur n'a vu "rien"
Un autre "à peu près" a retenti lorsque des représentants de la collaboration travaillant sur le détecteur de matière noire le plus sensible LUX (Large Underground Xenon), qui est situé dans une mine d'or abandonnée dans le Dakota du Sud, ont annoncé qu'ils avaient changé l'étalonnage du détecteur. Après cela, ils avaient l'espoir, à la limite de la certitude, que le «à peu près» tant attendu se réaliserait enfin. Le détecteur LUX, qui dès le premier jour de son existence était beaucoup plus sensible que le détecteur italien, est deux fois plus sensible aux WIMP sévères et 20 fois plus sensible aux poumons.
Détecteur LUX
Photo: Grand détecteur au xénon souterrain
Lors de la première séance d'observation de 300 jours, qui a débuté à l'été 2012 et s'est terminée en avril 2013, LUX n'a rien vu, même là où il pouvait voir quelque chose au moins par politesse. Comme l'a dit Daniel McKinsey de l'Université de Yale, membre de la collaboration LUX, "Nous n'avons rien vu, mais nous n'avons vu ce" rien "mieux que quiconque avant nous."
En raison de ce «rien», plusieurs versions prometteuses ont été complètement abandonnées à la fois, en particulier en ce qui concerne les WIMP «légers». Ce qui n'ajoute rien à la collaboration de sympathisants parmi ceux dont les versions ont été rejetées par LUX. Des collègues les ont attaqués avec tout un tas de reproches pour leur incapacité à mettre en place l'expérience correctement - la réaction est assez standard et attendue.
Les physiciens ne savent absolument rien de la masse des WIMP - s'ils existent du tout. La recherche est maintenant effectuée dans la gamme de masse de 1 à 100 GeV (la masse du proton est d'environ 1 GeV). De nombreux scientifiques rêvent de WIMP d'une masse de cent protons, car des particules d'une telle masse sont prédites par la théorie supersymétrique, qui en fait n'est pas encore devenue une théorie, mais qui n'est qu'un très beau modèle, mais spéculatif et dont beaucoup prédisent le sort du successeur du modèle standard. Ce serait un vrai cadeau pour les partisans de la supersymétrie, surtout maintenant, alors que l'expérience du Grand collisionneur de hadrons n'a encore enregistré aucune des particules qu'elle prédisait.
La deuxième session d'observation sur le détecteur LUX, qui s'achèvera l'année prochaine, devrait, grâce aux étalonnages déjà mentionnés au début, augmenter sérieusement la sensibilité du détecteur et aider à capturer des wimps de différentes masses (auparavant LUX était réglé sur la sensibilité la plus élevée d'environ 34 GeV), en détectant leurs signaux là où ils étaient auparavant ignorés. En d'autres termes, l'année prochaine, un autre «à peu près» très décisif nous attend.
Si ce "à peu près" ne se produit pas, alors ça va aussi: le prochain détecteur LZ, qui est beaucoup plus sensible, est déjà en préparation pour remplacer LUX. Il devrait être lancé plusieurs années plus tard. Dans le même temps, la collaboration DARWIN prépare un "monstre" d'une capacité de 25 tonnes de xénon, devant lequel LUX, avec ses 370 kg de gaz, semble "aveugle" et inutile à rien. Donc, il semble que les wimpam - s'ils existent - n'auront simplement nulle part où se cacher, et tôt ou tard ils se feront sentir. Les physiciens ne leur accordent pas plus de dix ans pour cela.
Wimp ou wisp?
Si les mauviettes continuent à persister dans leur insaisissable, alors il y a toujours un axion, qui devrait également être chassé. Les axions sont des particules hypothétiques introduites en 1977 par les physiciens américains Roberto Peccei et Helen Quinn afin de débarrasser la chromodynamique quantique d'une rupture de symétrie. Ce sont, en fait, également des Wimps, appartenant à la sous-catégorie des wisps plus légers (Weakly Interacting Slim Particles), mais ils ont une particularité: dans un champ magnétique fort, ils doivent induire des photons par lesquels ils peuvent être facilement détectés.
Aujourd'hui, peu de gens s'intéressent aux axions, et même pas parce que les gens n'y croient pas trop, et non parce que leur inscription est associée à des difficultés particulières, c'est juste que leur recherche est associée à des dépenses trop importantes. Pour que l'axion commence à convertir les photons virtuels en photons réels, des champs magnétiques très puissants sont nécessaires - fait intéressant, des aimants avec les champs requis existent déjà. Le marché propose 18 aimants Tesla, il existe des aimants expérimentaux de 32 Tesla, mais ce sont des machines très chères et pas faciles à obtenir. De plus, ceux dont dépend le financement de telles recherches ne croient pas vraiment à la réalité de l'existence des axions. Peut-être qu'un jour la nécessité de rechercher des axions rendra ces difficultés financières surmontables, et d'ici là, les aimants pourraient devenir moins chers.
Malgré la poursuite apparemment sans fin et infructueuse des WIMP, les choses vont bien. Pour commencer, vous devez trouver la version la plus simple et la plus évidente: les wimps. Lorsqu'ils seront trouvés et que leur masse sera connue, les physiciens devront réfléchir à ce que sont ces WIMP - sont-ils vraiment des neutrinos lourds, un ensemble quantique de superpartenaires du photon, du boson Z et du boson de Higgs, comme la plupart des physiciens le supposent maintenant, ou quelque chose du genre - autre chose. Si les WIMP ne sont pas trouvés dans toute la gamme des masses possibles, il sera nécessaire d'envisager des options alternatives - par exemple, recherchez les WIMP d'une autre manière. Par exemple, s'il s'agit du fameux fermion Majorana, qui est lui-même une antiparticule, alors, en se rencontrant, ces fermions devraient s'annihiler, se transformer en rayonnement et laisser un souvenir d'eux-mêmes sous la forme d'un excès de photons.
S'il n'y a aucun moyen de détecter les WIMP, ce qui semble en fait improbable, alors il sera possible d'examiner de plus près les options avec la mécanique newtonienne modifiée. Il sera également possible de vérifier (on ne sait pas encore comment) une version complètement fantastique associée aux sept dimensions supplémentaires prédites par la théorie des cordes, qui nous sont cachées, car elles sont enroulées dans des boules de la taille de Planck. Selon certains des modèles d'une telle multidimensionnalité, la force gravitationnelle pénètre dans chacune de ces dimensions et est donc si faible dans notre monde tridimensionnel. Cependant, cela soulève la possibilité que la matière noire soit cachée dans ces dimensions enroulées et ne se manifeste que grâce à la gravité omniprésente. Il existe également des explications exotiques de la matière noire associées aux défauts topologiques des champs quantiques,surgissant pendant le Big Bang, il y a aussi une hypothèse expliquant la matière noire par la fractalité de l'espace-temps, et il ne fait aucun doute que, si nécessaire, les physiciens théoriciens trouveront autre chose non moins original. Le plus important est d'ajouter la seule explication correcte à cette liste.