sciences energies environnemùent : A la recherche de la matière noire

 ' notes

World's most sensitive model-independent experiment starts searching for dark matter

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L'expérience indépendante d'un modèle la plus sensible au monde commence à rechercher la matière noire

par Deutsches Elektronen-Synchrotron

Rangée d'aimants de l'expérience ALPS dans le tunnel HERA : dans cette partie des aimants, une lumière laser intense est réfléchie dans les deux sens, à partir de laquelle des axions sont censés se former. Crédit : DESY, Marta Mayer

L'expérience indépendante de modèle la plus sensible au monde pour la recherche de particules particulièrement légères, dont la matière noire pourrait être composée, démarre aujourd'hui à DESY sous la forme de l'expérience ALPS II "la lumière qui brille à travers un mur". Les calculs scientifiques prédisent que cette forme inquiétante de matière devrait se produire cinq fois plus souvent dans l'univers que la matière visible normale. Jusqu'à présent, cependant, personne n'a été en mesure d'identifier des particules de cette substance ; l'expérience ALPS pourrait désormais fournir de telles preuves.

L'expérience ALPS (Any Light Particle Search), qui s'étend sur une longueur totale de 250 mètres, recherche un type de nouvelle particule élémentaire particulièrement léger. À l'aide de vingt-quatre aimants supraconducteurs recyclés de l'accélérateur HERA, d'un faisceau laser intense, d'une interférométrie de précision et de détecteurs très sensibles, l'équipe de recherche internationale souhaite rechercher ces axions ou particules de type axion.

On pense que ces particules ne réagissent que très faiblement avec des types de matière connus, ce qui signifie qu'elles ne peuvent pas être détectées dans des expériences utilisant des accélérateurs. ALPS recourt donc à un tout autre principe pour les détecter : dans un fort champ magnétique, les photons, c'est-à-dire particules de lumière - pourraient être transformées en ces mystérieuses particules élémentaires et redevenir de la lumière.

« L'idée d'une expérience comme ALPS existe depuis plus de 30 ans. En utilisant les composants et l'infrastructure de l'ancien accélérateur HERA, ainsi que des technologies de pointe, nous sommes désormais en mesure de réaliser ALPS II dans un contexte international. collaboration pour la première fois », déclare Beate Heinemann, directrice de la physique des particules à DESY.

Helmut Dosch, président du conseil d'administration de DESY, ajoute : « DESY s'est donné pour mission de décoder la matière sous toutes ses différentes formes. ALPS II correspond donc parfaitement à notre stratégie de recherche, et peut-être ouvrira-t-il la porte à la matière noire.

L'équipe ALPS envoie un faisceau laser de haute intensité le long d'un dispositif appelé résonateur optique dans un tube à vide, d'environ 120 mètres de long, dans lequel le faisceau est réfléchi d'avant en arrière et qui est entouré de douze aimants HERA disposés en ligne droite . Si un photon devait se transformer en axion dans le champ magnétique fort, cet axion pourrait traverser la paroi opaque à l'extrémité de la ligne d'aimants.

Une fois à travers le mur, il entrerait dans une autre piste magnétique presque identique à la première. Ici, l'axion pourrait alors redevenir un photon, qui serait capturé par le détecteur à la fin. Un deuxième résonateur optique est mis en place ici pour augmenter la probabilité qu'un axion se retransforme en photon d'un facteur 10 000.

Cela signifie que si la lumière arrive derrière le mur, cela doit avoir été un axion entre les deux. "Cependant, malgré toutes nos astuces techniques, la probabilité qu'un photon se transforme en axion et vice-versa est très faible", déclare Axel Lindner de DESY, chef de projet et porte-parole de la collaboration ALPS, "comme lancer 33 dés et qu'ils sortent tous le même."

Pour que l'expérience fonctionne réellement, les chercheurs ont dû régler tous les différents composants de l'appareil pour obtenir des performances maximales. Le détecteur de lumière est si sensible qu'il peut détecter un seul photon par jour. La précision du système de miroirs pour la lumière est également record : la distance entre les miroirs doit rester constante à une fraction de diamètre atomique près par rapport à la longueur d'onde du laser.

Et les aimants supraconducteurs, chacun de neuf mètres de long, génèrent un champ magnétique de 5,3 Tesla dans le tube à vide, plus de 100 000 fois la force du champ magnétique terrestre. Les aimants ont été extraits de l'anneau de protons de 6,3 kilomètres de long de l'accélérateur HERA et recyclés pour le projet ALPS. Les aimants étaient à l'origine incurvés à l'intérieur et ont dû être redressés pour l'expérience afin qu'ils puissent stocker plus de lumière laser; et l'équipement de sécurité pour les faire fonctionner dans des conditions supraconductrices à moins 269 degrés Celsius a été complètement revu.

L'expérience ALPS a été proposée à l'origine par le théoricien de DESY, Andreas Ringwald, qui a également étayé la motivation théorique de l'expérience avec ses calculs sur l'extension du modèle standard. Ringwald déclare : "Les physiciens expérimentaux et théoriciens ont travaillé en étroite collaboration pour ALPS. Le résultat est une expérience qui a un potentiel unique pour découvrir des axions, que nous pourrions éventuellement utiliser pour rechercher des ondes gravitationnelles à haute fréquence."

La recherche d'axions commencera initialement dans un mode de fonctionnement atténué, simplifiant la recherche de "lumière de fond" qui pourrait faussement indiquer la présence d'axions. L'expérience devrait atteindre sa pleine sensibilité au second semestre 2023. Le système de miroirs doit être mis à niveau en 2024, et un détecteur de lumière alternatif peut également être installé ultérieurement.

Les scientifiques prévoient de publier les premiers résultats d'ALPS en 2024. Lindner en est convaincu : "Même si nous ne trouvons aucune particule légère avec ALPS, l'expérience décalera les limites d'exclusion des particules ultra-légères d'un facteur 1000."

Au total, une trentaine de scientifiques ont uni leurs forces au sein de la collaboration internationale ALPS. Ils sont issus de sept institutions de recherche : outre DESY, le Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute), l'Institute for Gravitational Physics de l'Université Leibniz à Hanovre, l'Université de Cardiff (Royaume-Uni), l'Université de Floride (Gainesville, Floride , États-Unis), l'Université Johannes Gutenberg de Mayence, l'Université de Hambourg et l'Université du Danemark du Sud (Odense) sont toutes impliquées.

Les chercheurs font déjà des plans pour le temps après leur recherche actuelle d'axions. Par exemple, ils veulent utiliser ALPS pour savoir si un champ magnétique influence la propagation de la lumière dans le vide, comme l'avaient prédit il y a des décennies Euler et Heisenberg. Et les chercheurs veulent également utiliser la configuration expérimentale pour détecter les ondes gravitationnelles à haute fréquence.

Que sont les axions ?

Les axions sont des particules élémentaires hypothétiques. Ils font partie d'un mécanisme physique postulé par le physicien théoricien Roberto Peccei et sa collègue Helen Quinn en 1977 afin de résoudre un problème d'interaction forte, l'une des quatre forces fondamentales de la nature. En 1978, les physiciens théoriciens Frank Wilczek et Steven Weinberg ont lié une nouvelle particule à ce mécanisme de Peccei-Quinn.

Puisque cette particule "nettoyerait" la théorie, Wilczek l'a nommée "axion" d'après un détergentcommercial. Un certain nombre d'extensions différentes du modèle standard de la physique des particules prédisent l'existence d'axions ou de particules de type axion. S'ils existent, ils résoudraient toute une série de problèmes qui intriguent actuellement les physiciens, notamment en tant que candidats pour les éléments constitutifs de la matière noire. Selon les calculs actuels, cette matière noire devrait être environ cinq fois plus abondante dans l'univers que la matière normale.

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COMMENTAIRESl

L 'expérience ALPS provient de chercheurs de l'Institut Max Planck de physique gravitationnelle (Institut Albert Einstein, AEI) et de l'Institut de physique gravitationnelle de la Leibniz Universität Hannover. Dit plus crument la physique allemande  veut tirer  parti de ce   qu 'elle possédait ( un accélérateur linéaire) et des gens qui travaillaient dessus .Mais elle mélange les genres ;la matiére noire résulte d un problème cosmoloqique ....

Qu'est-ce que l'hypothèse de la matière noire ?A  t elle été confirmée ???

Parce que personne n'a encore observé directement la matière noire - en supposant qu'elle existe -  doit à peine interagir avec la matière baryonique ordinaire , sauf par la gravité. La matière noire est considérée comme non baryonique ; elle  peut être composé de particules subatomiques encore inconnues.

Mais les théories sur les axions  partent d hypothéses théoriques  e a résoudre    encore  plus imprécises  ..... !

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