Environ 80 % de la matière de l’univers est une substance inconnue appelée « matière noire ». Bien que son existence soit théorisée depuis environ 90 ans, les scientifiques de la collaboration JEDI utilisent la technologie avancée des accélérateurs de particules pour développer de nouvelles façons de le détecter, même si les preuves concluantes restent insaisissables.
Environ 80 % de la matière de l’univers est une substance inconnue appelée « matière noire ». Alors que l’existence de la matière noire est théorisée depuis environ 90 ans, les scientifiques de la collaboration JEDI, utilisant la technologie avancée des accélérateurs de particules, développent de nouvelles façons de la détecter, même si les preuves concluantes restent insaisissables.
"C'est le seul moyen de concilier la distribution des vitesses de la matière visible au sein des galaxies avec les connaissances actuelles selon lesquelles une forme de matière 'sombre' jusqu'alors inobservée doit en outre stabiliser la galaxie", explique Jörg Pretz, l'un des co-auteurs de l'étude. Il est également directeur adjoint de l'Institut de physique nucléaire du Centre de recherche d'Urich et professeur à l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle.
Les physiciens recherchent cette substance depuis les années 1930. Les théories ne manquent pas dans la communauté scientifique, mais personne n’a encore réussi à détecter la matière noire. Le Dr Volker Hejny a déclaré : "C'est parce que la nature de la matière noire est encore totalement floue."
Le Dr Heini est également membre de l'Institut de physique nucléaire de Jülich et, comme son collègue Jörg Pretz, de la collaboration internationale JEDI qui a réalisé l'expérience. JEDI est l'abréviation de Jülich Electric Dipolemoment Investigations. Les scientifiques impliqués dans la collaboration travaillent depuis 2011 à la mesure du moment dipolaire électrique des particules chargées.
"La matière noire est invisible et ne s'est jusqu'à présent manifestée qu'indirectement par son attraction gravitationnelle. Son influence est relativement faible, c'est pourquoi ce n'est que dans des cas extrêmement massifs - comme des galaxies entières - que la matière noire devient réellement apparente."
Les physiciens théoriciens ont proposé un certain nombre de particules élémentaires hypothétiques dont la matière noire pourrait être composée. Selon les propriétés de ces particules, diverses méthodes peuvent être utilisées pour les détecter, méthodes qui ne nécessitent pas de détection très sophistiquée des effets gravitationnels. Ces méthodes incluent des axions et des particules de type axion.
Dans leurs expériences, les scientifiques du JEDI ont tiré parti d'une particularité de l'accélérateur de particules COSY de Jülich : l'utilisation de faisceaux polarisés. Crédit photo : Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach
"Les axions ont été développés à l'origine pour résoudre un problème de la théorie des interactions fortes de la chromodynamique quantique", explique Pretz. "Le nom axion remonte au prix Nobel Frank Wilczek et fait référence à une marque de détergent : la particule existe pour "nettoyer" la théorie physique, pour ainsi dire."
Pour détecter les axions, les scientifiques de la collaboration JEDI ont exploité le spin de la particule. "Le spin est une propriété unique de la mécanique quantique qui fait que les particules se comportent comme de petits aimants", explique Hejny. "Par exemple, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) en imagerie médicale tire parti de cette propriété. Dans le cadre de ce processus, le spin des noyaux atomiques est excité par de puissants champs magnétiques externes."
L'imagerie par résonance magnétique a également été utilisée pour rechercher la matière noire. Dans une IRM ordinaire, les atomes sont au repos, tandis que dans un accélérateur, les particules se déplacent presque à la vitesse de la lumière. Cela rend les inspections dans certaines zones plus sensibles et les mesures plus précises.
Dans leurs expériences, les scientifiques du JEDI ont tiré parti d'une particularité de l'accélérateur de particules COSY de Jülich, à savoir l'utilisation de faisceaux polarisés. "Dans un faisceau de particules conventionnel, la direction de rotation des particules est aléatoire", a déclaré Pretz. "Dans un faisceau de particules polarisées, les spins sont alignés dans une direction." Seuls quelques accélérateurs dans le monde disposent de cette capacité. "
Si, comme les scientifiques le soupçonnent, il existe un champ d’axions autour de nous, cela affectera le mouvement des spins – et pourrait donc éventuellement être détecté lors d’expériences. Toutefois, l’impact attendu est minime. Les mesures ne sont pas assez précises. Mais même si l'expérience JEDI n'a pas encore trouvé de preuves de la présence de particules de matière noire, les chercheurs ont réussi à affiner davantage les effets d'interaction possibles. Peut-être plus important encore, ils ont pu établir une approche nouvelle et prometteuse dans la recherche de la matière noire.