7 expériences majeures qui n'ont toujours pas trouvé le résultat souhaité

Détecteur de neutrinos Super Kamiokande

Un scientifique expérimental est souvent une profession ingrate. Vous lisez des nouvelles sur des expériences qui se sont terminées par de grandes découvertes, mais peu ont entendu parler de tentatives, souvent héroïques, par des expérimentateurs qui n'ont pas encore découvert ou observé à quoi elles étaient destinées.

Certaines tentatives se poursuivent depuis des décennies et voient le changement de générations de personnes, en tenant compte de leurs heures de travail et de leur expérience. Cependant, l'absence de résultat a parfois la même signification scientifique que toute découverte annoncée: nous apprenons ce que le monde réel n'est pas, ou ce qui n'y est pas. D'un autre côté, recevoir une sorte de réponse positive de l'une de ces expériences aurait des conséquences de grande portée pour notre compréhension de l'Univers et notre place dans celui-ci.

Nous vous proposons une liste de sept expériences en cours, qui n'ont pas encore trouvé celle désirée. Tous sont incroyables par leur génie et leur ambition. Il n'est pas surprenant qu'ils essaient de continuer et de les soutenir.

Pour faire la lumière sur la matière noire, enfouissez un réservoir de xénon liquide dans le sol

Les scientifiques ont avancé la théorie selon laquelle les filaments de matière noire forment un certain squelette sur lequel se trouvent toutes les galaxies que nous voyons. Chacun d'eux est entouré d'un halo de matière noire, apportant une gravité supplémentaire qui explique comment les étoiles tournent autour des centres galactiques. Mais nous n'avons pas encore découvert directement la matière noire. Bien que de nombreuses tentatives aient été faites au cours des dernières décennies pour détecter la matière noire par des interactions extrêmement faibles avec la matière ordinaire, elles ont toutes échoué.

Parmi les diverses formes que la matière noire est capable de prendre, la soi-disant Les particules massives qui interagissent faiblement (Weimly Interacting Massive Particles, WIMP) représentent l'une des opportunités les plus intéressantes pour les spécialistes de la physique des particules. L'expérience LUX , située à plus d'un kilomètre sous terre dans une ancienne mine du Dakota du Sud, a contribué à élever la barre pour l'échec à détecter des WIMP très élevés. L'équipement est un réservoir contenant 72 000 tonnes d'eau de haute pureté qui filtre les rayons cosmiques parasites. À l'intérieur, il contient un tiers de tonne de xénon liquide, entouré de capteurs suffisamment sensibles pour détecter la lumière émise à la suite d'une collision de matière noire avec des atomes de xénon.

L'incapacité de LUX à détecter toute trace de matière noire a conduit à la mise à niveau de LUX-Zeplin - à une expérience dans laquelle près de 20 fois plus de xénon liquide est utilisé que dans LUX. La nouvelle expérience trouvera-t-elle quelque chose où le LUX ne pourrait pas faire cela? Le temps nous le dira. Apparemment, la nature aime se moquer des espoirs et des attentes des scientifiques.

Pour voir réellement les ondes gravitationnelles laissées par le Big Bang, étudiez différentes fréquences

Les ondes gravitationnelles (l'analogue gravitationnel du rayonnement électromagnétique ou de la lumière) du temps du Big Bang auraient dû laisser une marque unique dans le rayonnement relique observé par nous dans toutes les directions et partir après l'explosion qui a créé l'Univers observable. Il montre de minuscules fluctuations de température et de polarisation, nous fournissant une photographie du champ gravitationnel en même temps - lorsque l'Univers avait 379 000 ans - que les premiers atomes d'hydrogène neutres se sont formés. Cette trace devrait être une image polarisante tournante, dont le terme technique est B-modes .

La joie provoquée par l'annonce de la découverte de tels B-mods faite en 2014 par le BICEP / Keck s'est avérée prématurée. Ce qui semblait être des ondes gravitationnelles primaires s'est avéré être des particules de poussière polarisées aux hautes latitudes galactiques, capables de simuler la même image polarisante tournante que les ondes gravitationnelles devraient démontrer.

Malgré cela, le groupe BICEP a été mis à jour vers la configuration BICEP3 , qui se compose d'un réseau de 2500 capteurs (bolomètres) conçus pour surveiller le rayonnement relique à des fréquences beaucoup plus basses que sa version précédente. Dix ans d'observations utilisant différentes versions du télescope BICEP n'ont pas conduit à la découverte des modes B des ondes gravitationnelles primaires, mais la recherche ne va pas s'arrêter - la compétition pour les détecter d'abord ne fait que se réchauffer.

Pour savoir si de fortes interactions nucléaires et électrofaibles se combinent, recherchez une «pop supersonique» à la lumière

Le modèle standard de la physique des particules est l'aboutissement de décennies d'interaction entre la théorie et l'expérience, de la naissance de la mécanique quantique à l'hypothèse que la faible interaction nucléaire (responsable de certains types de désintégration radioactive) et l'électromagnétisme sont différents aspects d'une interaction `` électrofaiible ''. Les interactions électromagnétiques et faibles ne nous semblent différentes qu'à l'échelle d'une expérience de laboratoire typique, car le champ de Higgs - qui donne de la masse aux particules qui interagissent avec lui - cache la symétrie inhérente à ces deux interactions.

Dans le modèle standard, il y a une autre interaction nucléaire forte, qui devrait se combiner avec l'électro-faiblesse à des énergies un billion de fois plus élevées que celles que nous pouvons atteindre au CERN, dans la "Grande Unification". L'une de ses prédictions est que le proton cesse d'être stable et peut se désintégrer en d'autres particules - pions et positrons - bien que rarement suffisant, de sorte que la demi-vie peut être plus de cent mille milliards de milliards de fois celle de l'âge actuel de l'univers.

Super Kamiokande - et la mise à niveau prévue, Hyper Kamiokande - est situé à un kilomètre sous la montagne dans le laboratoire de Kamioka, dans le centre du Japon. Cette expérience recherche, entre autres, des signes de désintégrations de protons extrêmement rares dans des tailles irréalistes de réservoirs d'eau ultrapure. En parcourant l'espace à la recherche de faibles éclairs de lumière, connus sous le nom de rayonnement Cherenkov - l'équivalent optique de la pop supersonique - Super-Kamiokande recherche des particules de haute énergie dans lesquelles un proton se désintègre.


Rayonnement Cherenkov au cœur d'un réacteur d'essai avancé au Idaho National Laboratory

Jusqu'à présent, rien n'a été découvert. Mais Hyper-Kamiokande, dont la sensibilité prévue sera 10 fois supérieure, devrait commencer ses observations dès 2020.

Pour vérifier la supersymétrie, sondez le neutron

Le modèle standard de la physique des particules prévoit qu'un neutron - qui, avec un proton, constitue le contenu d'un noyau atomique - a un moment dipolaire électrique (EDM) extrêmement faible, une distance fixe qui sépare deux charges opposées. C'est en raison de sa petite taille, très probablement, qu'il n'a pas encore été découvert. Mais les théories qui complètent le modèle standard avec une supersymétrie - une équivalence hypothétique des interactions et de la matière - prédisent généralement l'EDM, 100 000 fois plus grande que celle prédite par SM.

En introduisant des restrictions sur la magnitude de l'EDM à neutrons, il est possible de vérifier si la supersymétrie est présente dans la nature par une méthode plus rigoureuse que ce qui peut être obtenu en accélérant les particules dans les collisionneurs. L'expérience CryoEDM tente simplement de le faire à l'Institut Laue Langevin de Grenoble, en France. En observant la différence dans la précession de spin des neutrons très lents - c'est-à-dire en modifiant l'orientation de l'axe de rotation - en présence de champs magnétiques et électriques, vous pouvez mesurer avec précision l'EDM des neutrons, le cas échéant, car la vitesse de précession dépend de sa présence.

Au moment où CryoEDM atteint sa sensibilité calculée, il sera en mesure d'exclure ou de confirmer la présence de supersymétrie. L'observation de l'EDM sera une preuve tentante de la présence de supersymétrie dans la nature, car la valeur prédite par le modèle standard est trop petite pour être détectée avec la sensibilité actuelle des expériences.

Jetez un oeil à la gravité pour remarquer des dimensions supplémentaires.

Si des dimensions supplémentaires existent, elles peuvent affecter le fonctionnement de la gravité à de très petites distances. Ils impliquent non seulement des écarts par rapport à la loi habituelle des carrés inverses de la gravité newtonienne, mais impliquent également l'existence de nouvelles forces agissant à de courtes distances comparables à la gravité, violant ce que l'on appelle principe d'équivalence. Le principe postule que toute matière - le boulet de canon, la pomme - tombe également dans un champ gravitationnel donné. Et les caractéristiques des dimensions supplémentaires sont que les champs qui contrôlent la taille des dimensions supplémentaires imitent la gravité, mais seulement à de très courtes distances, et en même temps, ils agissent différemment sur différents types de matière.


Les scientifiques ont suggéré que des mesures supplémentaires pourraient prendre la forme d'un collecteur Calabi-Yau à 6 dimensions, ce qui a conduit à l'idée de symétrie miroir

Bien que la théorie générale de la relativité d'Einstein ait été rigoureusement testée sur des échelles allant du système solaire à l'univers, les chercheurs viennent tout juste de commencer à la tester sur des échelles submillimétriques.

À l'aide d' échelles de torsion calibrées avec précision, le groupe de collaboration Eöt-Wash (nommé d'après le baron von Eötvös, qui a effectué les premières expériences de ce type au début du XXe siècle et dans la ville de Washington) de l'Université de Washington recherche des violations du principe d'équivalence - en plus des écarts par rapport à la loi carrés inversés - sur des échelles approchant le 100 000e de mètre. Jusqu'à présent, aucune modification n'a été trouvée pour les lois de Newton ou le principe d'équivalence, ce qui suggère que s'il y a des mesures supplémentaires, alors à l'état plié, elles sont bien inférieures à quelques dixièmes de micron.

Pour observer les "siècles sombres" cosmologiques, syntonisez un faible signal radio

Il y a eu une époque dans l'histoire de l'Univers dont on sait relativement peu de choses - ce sont les soi-disant siècles sombres. C'est l'ère après la recombinaison, après la formation des premiers atomes d'hydrogène neutres et avant que les premières étoiles ne commencent à briller.

L'atome d'hydrogène lui-même ne dégage rien de spécial. Mais, comme une planète en orbite autour du Soleil, tournant également autour de son axe, un seul électron en orbite autour d'un noyau d'hydrogène "tourne" autour de son axe, qui est dirigé dans la même direction ou dans une direction opposée par rapport à son mouvement orbital. Dans ce dernier cas, il a moins d'énergie.

Une petite partie d'hydrogène neutre, éclairée par des radiations reliques dans les âges sombres, a été excitée et transformée en un état avec une énergie plus élevée et la même directivité. Et après la transition de ces atomes excités vers un état de basse énergie avec une configuration multidirectionnelle, ils émettent un signal à une fréquence de 1,4 GHz, ce qui correspond à un signal radio très faible avec une longueur d'onde de 21 cm. La détection d'un rayonnement de fond de 21 cm nous permettra de regarder dans les âges sombres .

Le Low Frequency Array ( LOFAR ) est un réseau de 20 000 antennes de phase situées en Europe (la plupart des Pays-Bas), scrutant l'espace depuis 2012 dans l'espoir de détecter ce signal faible. Mais la Terre et la Galaxie dans lesquelles elle se trouve sont des endroits très bruyants, et jusqu'à présent, nous n'avons pas pu détecter un signal des âges sombres qui surmonte le bruit local. Des plans ambitieux sont en cours pour créer le réseau international SKA (Square Kilometer Array), mais jusqu'à présent, les âges sombres restent sombres.

Pour trouver des extraterrestres, n'arrêtez pas d'écouter

La découverte de preuves convaincantes de l'existence d'une vie intelligente différente dans l'Univers sera un tournant dans la vie de notre civilisation. Les efforts collectifs, consistant en un grand nombre d'expériences, visaient à rechercher des signaux extraterrestres de civilisations intelligentes presque autant qu'il y a de radio. L'idée est que les signaux radio artificiels peuvent être distingués des sources naturelles (astrophysiques), en raison de leur gamme de fréquences étroite et de la nature répétitive, comme c'est le cas avec les émissions radio humaines. Un candidat séduisant pour un tel signal a été découvert en 1977, bien qu'il n'ait pas été revu depuis, et la possibilité de son origine naturelle ne peut être exclue.


L'Observatoire Arecibo de Porto Rico participe à la recherche d'intelligence extraterrestre

L’expérience SETI (Search for Extra-Terrestrial Intelligence) est menée à l’ aide de divers radiotélescopes, dont Allen Antenna Array , qui a récemment été équipé de la technologie couramment utilisée pour rechercher des exoplanètes. Les scientifiques l'ont également préparée à rechercher d'éventuelles mégastructures extraterrestres, dont l'existence a été suggérée par le physicien Freeman Dyson. Les civilisations développées peuvent construire de telles structures pour collecter directement l'énergie des étoiles. Et malgré le fait que pendant des décennies, rien n'a été découvert, la recherche collective d'intelligence extraterrestre est désormais mieux équipée que jamais. Ils prennent des mesures concernant l'inquiétude d'Arthur Clark, exprimée par lui dans la célèbre phrase: «Il y a deux possibilités: soit nous sommes seuls dans l'Univers, soit non. Les deux sont tout aussi effrayants. »