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The gravitino: A new candidate for dark matter
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Le gravitino : un nouveau candidat à la matière noire
par l'Université de Varsovie
Édité par Lisa Lock, révisé par Robert Egan
Notes de l'éditeur
Paramétrisation de la trajectoire du gravitino adoptée dans cet ouvrage. Crédit : Physical Review Research (2025). DOI : 10.1103/fm6h-7r78
La matière noire demeure l'un des plus grands mystères de la physique fondamentale. De nombreuses propositions théoriques (axions, WIMPs) et 40 ans de recherches expérimentales approfondies n'ont permis d'expliquer la nature de la matière noire.
Il y a plusieurs années, dans une théorie unifiant la physique des particules et la gravité, de nouveaux candidats à la matière noire, radicalement différents, ont été proposés : les gravitinos superlourds chargés.
Un article publié dans Physical Review Research par des scientifiques de l'Université de Varsovie et de l'Institut Max Planck de physique gravitationnelle montre comment les nouveaux détecteurs souterrains, notamment le détecteur JUNO, qui commencera bientôt à collecter des données, bien que conçus pour la physique des neutrinos, sont également extrêmement bien adaptés à la détection future de gravitinos chargés de matière noire.
Les simulations combinant deux disciplines, la physique des particules élémentaires et la chimie quantique avancée, montrent que le signal du gravitino dans le détecteur devrait être unique et sans ambiguïté.
En 1981, Murray Gell-Mann, lauréat du prix Nobel pour l'introduction des quarks comme constituants fondamentaux de la matière, a remarqué le fait intriguant que les particules du Modèle standard, quarks et leptons, sont contenues dans une théorie formulée purement mathématiquement deux ans plus tôt, la « supergravité N=8 », caractérisée par sa symétrie maximale. La supergravité N=8 contient des particules de matière du Modèle Standard de spin 1/2, mais aussi une composante gravitationnelle : le graviton (de spin 2) et 8 gravitinos de spin 3/2.
Si le Modèle Standard est effectivement lié à la supergravité N=8, cette relation pourrait permettre de résoudre le problème le plus complexe de la physique théorique fondamentale : unifier la gravité et la physique des particules. La supergravité N=8 dans le secteur de spin ½ contient exactement 6 quarks (u, d, c, s, t, b) et 6 leptons (électron, muon, tauon et neutrinos) et interdit la présence de toute autre particule de matière.
Après 40 ans de recherche intensive sur les accélérateurs, sans découverte de nouvelles particules de matière, la teneur en matière de la supergravité N=8 est non seulement cohérente avec nos connaissances, mais demeure la seule explication théorique connue du nombre de quarks et de leptons dans le Modèle Standard.
Cependant, le lien direct entre la supergravité N=8 et le Modèle Standard présente plusieurs inconvénients, le principal étant que les charges électriques des quarks et des leptons étaient décalées de ±1/6 par rapport aux valeurs connues ; par exemple, un électron avait une charge de -5/6 au lieu de -1.
Il y a plusieurs années, Krzysztof Meissner, de la Faculté de physique de l'Université de
La ville de Varsovie, en Pologne, et Hermann Nicolai, de l'Institut Max Planck de physique gravitationnelle (Institut Albert Einstein/AEI), à Potsdam, en Allemagne, sont revenus sur l'idée de Gell-Mann. Ils ont ainsi pu dépasser la supergravité N=8 et modifier la proposition initiale en obtenant les charges électriques correctes des particules de matière du Modèle standard.
Cette modification est d'une grande portée, suggérant une symétrie infinie K(E10), peu connue mathématiquement et qui remplace les symétries habituelles du Modèle standard.
L'un des résultats surprenants de cette modification, décrit dans des articles parus dans Physical Review Letters et Physical Review, est le fait que les gravitinos, vraisemblablement d'une masse extrêmement importante, proche de l'échelle de Planck, soit des milliards de milliards de masses de protons, sont électriquement chargés : six d'entre eux ont une charge de ±1/3 et deux de ±2/3.
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Les gravitinos, bien qu'extrêmement massifs, ne peuvent se désintégrer car il n'existe aucune particule en laquelle ils pourraient se désintégrer. Meissner et Nicolai ont donc proposé que deux gravitinos de charge ±2/3 (les six autres étant beaucoup plus faibles) pourraient être des particules de matière noire d'un type très différent de tout ce qui a été proposé jusqu'à présent.
En effet, les candidats habituels, qu'ils soient extrêmement légers comme les axions ou de masse intermédiaire (proton) comme les WIMP (particules massives faiblement interactives), étaient électriquement neutres, ce qui correspond à l'appellation « matière noire ». Cependant, après plus de 40 ans de recherche intensive par différentes méthodes et dispositifs, aucune nouvelle particule au-delà du Modèle standard n'a été détectée.
Les gravitinos offrent cependant une nouvelle alternative. Bien qu'ils soient électriquement chargés, ils peuvent être des candidats à la matière noire car, étant très massifs, ils sont extrêmement rares et, par conséquent, ne brillent pas dans le ciel, échappant ainsi aux contraintes très strictes imposées à la charge des constituants de la matière noire.
De plus, la charge électrique des gravitinos suggère une approche totalement différente pour prouver leur existence.
L'article original publié en 2024 dans l'European Physical Journal C par Meissner et Nicolai soulignait que des détecteurs de neutrinos, basés sur des scintillateurs différents de l'eau, pourraient convenir à la détection des gravitinos de matière noire.
Cependant, leur recherche est extrêmement difficile en raison de leur extrême rareté (probablement un seul gravitino pour 10 000 km³ dans le système solaire), ce qui explique l'absence de perspective de détection avec les détecteurs actuellement disponibles. Cependant, de nouveaux détecteurs souterrains géants, à pétrole ou à argon liquide, sont en construction ou en projet, et des possibilités réalistes de recherche de ces particules s'ouvrent désormais.
Parmi tous les détecteurs, l'observatoire souterrain de neutrinos de Jiangmen (JUNO), actuellement en construction, semble prédestiné à une telle recherche. Son objectif est de déterminer les propriétés des neutrinos (en réalité des antineutrinos), mais comme les neutrinos interagissent extrêmement faiblement avec la matière, les détecteurs doivent disposer de volumes très importants.
Dans le cas du détecteur JUNO, cela représente 20 000 tonnes d'un liquide organique synthétique semblable à du pétrole, couramment utilisé dans l'industrie chimique, avec des ajouts spéciaux, dans une enceinte sphérique d'environ 40 mètres de diamètre, entourée de plus de 17 000 photomultiplicateurs. Les mesures de JUNO devraient débuter au second semestre 2025.
L'article publié dans Physical Review Research par Meissner et Nicolai, avec leurs collaborateurs Adrianna Kruk et Michal Lesiuk de la Faculté de chimie de l'Université de Varsovie, présente une analyse détaillée des signatures spécifiques que les événements provoqués par les gravitinos pourraient produire à JUNO et dans les futurs détecteurs d'argon liquide tels que l'expérience DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) aux États-Unis.
L'article décrit non seulement le contexte théorique, tant en physique qu'en chimie, mais aussi une simulation très détaillée des signatures possibles en fonction de la vitesse et de la trajectoire d'un gravitino traversant le réservoir de pétrole. Cette simulation a nécessité des connaissances approfondies en chimie quantique et des calculs intensifs, gourmands en ressources processeur.
Les simulations devaient prendre en compte de nombreux bruits de fond possibles : désintégration du 14C radioactif présent dans le pétrole, taux de comptage et efficacité des photomultiplicateurs dans l'obscurité, absorption des photons dans le pétrole, etc.
Les simulations montrent qu'avec un logiciel approprié, le passage d'un gravitino à travers le détecteur laissera un signal unique impossible à confondre avec le passage de l'une quelconque des particules actuellement connue
Cette analyse établit de nouvelles normes en matière d'interdisciplinarité en combinant deux domaines de recherche distincts : la physique théorique et expérimentale des particules élémentaires, d'une part, et les méthodes très avancées de la chimie quantique moderne, d'autre part.
La détection des gravitinos superlourds constituerait une avancée majeure dans la recherche d'une théorie unifiée de la gravité et des particules. Comme les gravitinos sont censés avoir des masses de l'ordre de celle de Planck, leur détection constituerait la première indication directe d'une physique proche de l'échelle de Planck et pourrait ainsi fournir des preuves expérimentales précieuses de l'unification de toutes les forces de la nature.
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RESUME
Le gravitino : un nouveau candidat à la matière noire
La matière noire demeure l'un des plus grands mystères de la physique fondamentale. De nombreuses propositions théoriques (axions, WIMPs) et 40 ans de recherches expérimentales approfondies n'ont permis d'expliquer la nature de la matière noire.
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Commentaores
La theorie de la supersymétrie n a jusqu a present ete acceptee par les cercles académiques ;donc je doute que les gravitinos aient plus de chance qsue les autres
Cf pour mes elèves !
internet :Google
https://fr.wikipedia.org › wiki › S...
''·La supersymétrie (abrégée en SuSy) est une symétrie supposée de la physique des particules qui postule une relation profonde entre les particules de spin demi-entier (les fermions) qui constituent la matière et les particules de spin entier (les bosons) véhiculant les interactions. Dans le cadre de la SuSy, chaque fermion est associé à un « superpartenaire » de spin entier, alors que chaque boson est associé à un « superpartenaire » de spin demi-entier.''
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More information: Adrianna Kruk et al, Signatures of supermassive charged gravitinos in liquid scintillator detectors, Physical Review Research (2025). DOI: 10.1103/fm6h-7r78
Journal information: Physical Review Research , Physical Review Letters
Provided by University of Warsaw
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Le gravitino : un nouveau candidat à la matière noire
La matière noire demeure l'un des plus grands mystères de la physique fondamentale. De nombreuses propositions théoriques (axions, WIMPs) et 40 ans de recherches expérimentales approfondies n'ont permis d'expliquer la nature de la matière noire.
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La theorie de la supersymétrie n a jusqu a present ete acceptee par les cercles académiques ;donc je doute que les gravitinos aient plus de chance qsue les autres
Cf pour mes elèves !
internet :Google
https://fr.wikipedia.org › wiki › S...
''·La supersymétrie (abrégée en SuSy) est une symétrie supposée de la physique des particules qui postule une relation profonde entre les particules de spin demi-entier (les fermions) qui constituent la matière et les particules de spin entier (les bosons) véhiculant les interactions. Dans le cadre de la SuSy, chaque fermion est associé à un « superpartenaire » de spin entier, alors que chaque boson est associé à un « superpartenaire » de spin demi-entier.''
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More information: Adrianna Kruk et al, Signatures of supermassive charged gravitinos in liquid scintillator detectors, Physical Review Research (2025). DOI: 10.1103/fm6h-7r78
Journal information: Physical Review Research , Physical Review Letters
Provided by University of Warsaw
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