Toujours pas de trace de matière noire

De par leur force gravitationnelle, les étoiles et les galaxies de l’univers influencent mutuellement leurs mouvements. Mais les forces des corps célestes visibles ne suffisent pas, et de loin, à expliquer les mouvements des galaxies. De fait, les chercheurs postulent l’existence d’une matière noire, qui constituerait une grande partie de la matière de l’univers. Mais on ignore encore complètement de quoi cette matière noire est faite. Une chose est sûre: elle n’est pas faite des mêmes particules que celles qui nous constituent nous, et qui constituent aussi les étoiles et la Terre. En même temps, si l’on veut expliquer les processus que nous observons dans l’univers, il faut que la masse de la matière noire soit environ cinq fois plus importante que celle de la matière que nous connaissons. Les chercheurs ont développé de nombreux modèles théoriques sur la nature de cette fameuse matière noire. Une piste prometteuse a été avancée: la matière noire serait composée d’axions. Ces particules hypothétiques ont été postulées pour expliquer certains phénomènes qui restent incompris dans le domaine de la physique des particules.

Détecter la matière noire au PSI

Si les axions existaient vraiment, il devrait être possible de les détecter dans certaines conditions sur l‘une des installations de recherche de l’Institut Paul Scherrer PSI, la source de neutrons ultra-froids (UCN). Sur cette installation, des chercheurs de sept pays, réunis dans le cadre d’une collaboration de recherche internationale, s‘intéressent prioritairement aux propriétés du neutron. Ils cherchent notamment à déterminer le moment dipolaire électrique de cette particule. Car le neutron a beau ne pas avoir de charge électrique, il pourrait avoir un moment dipolaire électrique. Un cas de figure dans lequel la distribution des charges positives et négatives situées à l’intérieur du neutron seraient légèrement décalés. L’existence d’un tel moment dipolaire électrique est liée à de nombreuses interrogations auxquelles la physique moderne fait face aujourd’hui, comme la question de savoir pourquoi il y a plus de matière que d’antimatière dans l’univers.

Mais l’existence des axions pourrait aussi apparaître dans les données dédiées originellement à l’étude des propriétés fondamentales du neutron. Pour ce faire, nous avons examiné un autre aspect dans ces données, explique Klaus Kirch, directeur du Laboratoire de physique des particules au PSI et professeur à l’ETH Zurich. Dans notre expérience, chaque mesure du moment dipolaire dure environ cinq minutes. Pour obtenir un bon résultat du moment dipolaire statique du neutron, nous répétons cette mesure à de nombreuses reprises et nous déterminons la valeur moyenne sur une longue période. Pour chercher les axions, en revanche, nous examinons si, avec le temps, les résultats de mesure varient avec une fréquence fixe. Une oscillation de ce type constituerait en effet l’indice d’une interaction des neutrons avec les particules hypothétiques.

La possibilité de détecter les axions de manière indirecte viendrait du fait qu’ils n’interagissent pas uniquement par l’entremise de la gravitation avec une autre matière; ils pourraient par exemple se coupler aux gluons, ces particules de colle qui assurent pour ainsi dire la cohésion de l’intérieur du neutron. Il se pourrait que la rencontre avec un axion génère un moment dipolaire électrique. Pour dire les choses simplement, les axions modifieraient la forme du neutron et par conséquent la répartition de la charge électrique à l’intérieur de ce dernier.

Découverte importante: jusqu’ici, aucune trace d’axions

Jusqu’ici, aucune oscillation de ce genre n’a pu être mise en évidence dans les données de mesures de l’expérience au PSI, ni dans celles d’une expérience précédente menée à la source de neutrons de l’ILL à Grenoble, et qui ont été réanalysées elles aussi dans le cadre de ce projet. Ces deux expériences sont les premières où des chercheurs ont étudié directement en laboratoire le couplage d’axions à des gluons. A ce jour, les connaissances disponibles sur ces couplages n’avaient pu être obtenues que de manière indirecte à partir d’observations astrophysiques et de modèles cosmologiques. Les nouvelles mesures en laboratoire améliorent d’un facteur 1000 la précision de ces anciens résultats et font que l’on peut exclure de manière sûre l’existence d’axions présentant certaines propriétés. Ces résultats réfutent des modèles physiques qui postulaient l’existence d’axions dotés de ces propriétés particulières, relève Klaus Kirch. Ils permettent de restreindre la diversité des particules candidates pour la matière noire.

Il y a essentiellement deux raisons au fait que l’expérience ne recense pas tous les types d’axions. Pour que l’oscillation se manifeste dans les données de mesures, il faut que les axions interagissent de manière suffisamment forte avec les neutrons. Par ailleurs, il ne faut pas que leur masse soit trop importante, car une trop grande masse entraînerait une fréquence d’oscillation trop élevée pour être observée lors des mesures menées jusqu’ici sur des laps de temps de cinq minutes.

Texte: Institut Paul Scherrer/Paul Piwnicki

À propos du PSI

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(Mise à jour: mai 2017)