Lien entre l'antimatière et la matière noire sondée

Deux des mystères les plus intrigants de la cosmologie moderne sont la prépondérance apparente de la matière ordinaire sur l'antimatière et la nature de la matière noire, qui représente environ 85% de la masse de l'univers.. La matière noire n’a fait connaître sa présence que par ses effets gravitationnels sur les objets astrophysiques. Par conséquent, quel que soit le type de particule dont il est composé, les interactions avec d'autres matières doivent être faibles. L’axion est un candidat de premier plan, une particule neutre et légère qui avait été initialement postulée pour expliquer pourquoi le neutron manque d’un moment dipolaire électrique mesurable.. Jusqu'à présent, les chercheurs ont recherché des preuves de couplages entre la matière noire de l'axion et uniquement des particules ordinaires telles que des photons, des électrons et des noyaux.^,. , Smorra et al. signaler une recherche d'un couplage entre la matière noire axion et l'antimatière (en particulier, les antiprotons).

Toute particule connue peut être classée comme un boson ou un fermion. Les bosons ont un spin entier (moment angulaire intrinsèque) et incluent le photon (spin-1) et le boson de Higgs (spin-0). En revanche, les fermions ont un spin semi-entier et incluent l'électron (spin-1/2). L'axion devrait être un boson à spin-0 ayant une parité impaire, ce qui signifie que sa fonction d'onde change de signe si les coordonnées spatiales sont inversées.

Contrairement à la matière noire fermionique (comme les candidats à la matière noire appelés particules massives à interaction faible ou WIMP), il n’ya pas de limite au nombre d’axions pouvant exister dans un certain volume d’espace. En conséquence, la matière noire des axions possède une gamme extrêmement étendue de masses potentielles. Les mesures astrophysiques fixent une limite supérieure sur la masse d'environ 10^–2 électronvolts (eV). Cette valeur est exprimée en unités d'énergie, dans lesquelles la masse de l'électron est de 511 kiloélectronvolts et la masse du proton de 938 mégaélectronvolts (voir). Et une limite inférieure d'environ 10^–22 eV provient du fait que, lorsque ces particules sont décrites comme des ondes dans la mécanique quantique, leurs longueurs d'onde ne peuvent pas être supérieures à la taille d'une galaxie naine – sinon, ces galaxies présenteraient des écarts par rapport à la structure observée.

Les particules associées à la matière noire de l’axion peuvent être considérées comme des ondes classiques ayant une fréquence d’oscillation directement proportionnelle à la masse de l’axion. Plusieurs techniques peuvent être utilisées pour rechercher de telles ondes, et la plus appropriée dépend principalement de la gamme de fréquences considérée. Pour les axions dont les masses sont inférieures à 10^–17 eV (correspondant à une fréquence de dizaines de millihertz), les ondes oscillent extrêmement lentement. Si les antiprotons sont maintenus dans le puissant champ magnétique d'un dispositif appelé piège de Penning, ces ondes produiront des changements dans la fréquence de précession des spins des antiprotons.

L'expérience de symétrie de Baryon Antibaryon (BASE) du laboratoire européen de physique des particules, situé près de Genève, en Suisse, utilise cette technique. La collaboration BASE repose sur des pièges de Penning ultrasensibles, qui utilisent des configurations spécialisées de champs magnétiques et électriques pour piéger les antiprotons dans un environnement sous vide poussé. Cette configuration permet aux antiprotons d'être mesurés en continu pendant de longues périodes, et d'être échangés entre différentes chambres de mesure sans se heurter à une matière ordinaire ni être annihilés. L'un des principaux objectifs de la collaboration est de déterminer le moment magnétique intrinsèque de l'antiproton. Cette quantité peut être calculée avec une précision extrêmement élevée en utilisant le modèle standard de la physique des particules – l'explication actuelle des particules et des forces de l'Univers.

En 2017, Smorra et al. a effectué une mesure ultra précise du moment magnétique de l’antiproton (à une partie sur un milliard), contraignant de nombreuses théories de la physique au-delà du modèle standard. La clé de leur méthode était la mesure simultanée de la précession de spin et d'une quantité appelée fréquence du cyclotron, qui décrit le mouvement cyclique d'un antiproton dans un piège. Cette tâche était difficile, car elle nécessitait un contrôle méticuleux d'un dispositif appelé flacon magnétique pour déterminer de manière non destructive l'état de rotation de l'antiproton. Les mesures du groupe ont nécessité des centaines d’expériences, chacune d’une durée de près d’une heure, sur plusieurs mois.

Dans le présent document, Smorra et ses collègues, parmi lesquels figurent des membres de la collaboration BASE, ont analysé les données de ces expériences. Ils ont proposé que les ondes correspondant à la matière noire des axions oscillaient à des fréquences comprises entre 10^–8 et 10^–2 hertz changerait la fréquence de précession de spin de manière petite mais mesurable si le couplage des axions avec les antiprotons était suffisamment fort. Bien qu'aucun signal d'axion n'ait été détecté, Smorra et al. contraint le paramètre qui quantifie les interactions axion – antiproton à des valeurs supérieures à 0,1–0,6 gigaélectronvolts dans la plage de masse d'axion comprise entre 2 × 10⁻²³ eV to 4 × 10⁻¹⁷ eV (Fig. 1). Ces limites sont autant que 10⁵fois plus fortes que les contraintes astrophysiques (estimées par les auteurs), qui tiennent compte de la manière dont les antiprotons auraient pu produire des axions dans la supernova 1987A.

Les travaux futurs devraient viser à limiter davantage le couplage axion-antiproton et à rechercher des preuves d'interactions entre la matière noire de l'axion et d'autres formes d'antimatière, telles que les positrons (les antiparticules d'électrons). L'une des principales conclusions de ces études pourrait être l'observation que la matière noire associe l'antimatière de différentes manières, allant de son couplage à la matière ordinaire, résultat qui pourrait aider à expliquer pourquoi la matière prédomine sur l'antimatière dans l'Univers.

Smorra et ses collègues ont mis en évidence une tendance croissante en physique des hautes énergies, selon laquelle des mesures extrêmement précises sont utilisées pour définir les paramètres fondamentaux des particules et rechercher des preuves de la physique allant au-delà de celles du modèle standard. La matière noire Axion, qui a une vaste gamme de masse potentielle et des couplages prédits extrêmement faibles, a connu une renaissance en termes de techniques de détection innovantes. La recherche d'un couplage privilégié de la matière noire axionique à l'antimatière (par opposition à la matière ordinaire) est une perspective enthousiasmante et pourrait s'avérer être la clé pour lever plusieurs mystères de la cosmologie à mesure que la technologie progresse.