Un bref aperçu des indices de l'existence de la matière noire - des signaux (dont deux ont été trouvés dans le ciel et quatre - sous terre), ce qui peut signifier que ces particules de matière noire sont engagées dans quelque chose d'intéressant. Quelques signaux peuvent se révéler vrais, mais pas les six, car certains d'entre eux se contredisent. Cela ne devrait pas vous inquiéter: une situation similaire est tout à fait normale pour la science avancée; La recherche est une affaire compliquée, et la majorité des allusions à quelque chose d'incroyable se révèlent être des mirages - des accidents statistiques, des bizarreries jusqu'alors inconnues, des problèmes de mesure ou simplement des erreurs triviales. Dans le cas, par exemple, de la particule de Higgs, nous avons eu plusieurs fausses alarmes jusqu'à ce que, finalement, l'alarme se soit avérée vraie. Nous devons donc être patients et prudents, et ne pas perdre espoir; les découvertes sont rares, mais arrivent.
Frais généraux de matière noire
Les informations obtenues du satellite Fermi suggèrent qu'un flux de photons de certaines énergies (environ 135 GeV, c'est-à-dire avec une énergie de masse d'environ 143 fois plus que celle d'un proton) émane du centre de la galaxie. Cela pourrait potentiellement être un signe de la présence de particules de matière noire (il devrait y avoir en particulier un grand nombre de ces particules se déplaçant lentement dans un cercle au centre de la galaxie), qui entrent en collision les unes avec les autres, s'anéantissent et se transforment en photons.
En bref, cela se passe comme ceci: la loi de conservation de l'énergie garantit que l'énergie de deux particules de matière noire annihilantes (principalement représentées par l'énergie de masse, car les particules de matière noire se déplacent très lentement à travers la galaxie) sont converties en énergie de mouvement de deux photons - par conséquent, l'énergie chaque photon est égal à la masse d'une particule de matière noire multipliée par c
2 .
Dois-je m'inquiéter du fait que ce signal ne soit pas ce qu'il semble? Un petit problème est qu'un
WIMP standard (une particule massive interagissant avec la matière par une faible interaction nucléaire) ne peut pas produire un tel signal sans émettre d'autres signaux que nous aurions également à voir (par exemple, un grand nombre de protons d'énergie inférieure) . Mais la popularité des WIMP est légèrement exagérée, et d'autres types de particules de matière noire, que les théoriciens imaginent depuis de nombreuses années, sont tout à fait capables de faire tout ce qui est nécessaire.
Plus préoccupant encore, le signal ne vient pas seulement du centre de la galaxie, mais aussi du bord du
limbe de la Terre, et peut-être du soleil. Un tel comportement de l'anéantissement de la matière noire n'est pas à prévoir. Et le fait que ce signal apparaisse dans des endroits si étranges où il n'était pas prévu peut signifier que tout cela n'est qu'un problème évident avec le détecteur de photons de Fermi. Personne ne le sait encore.
Un autre exemple. Dans l'expérience avec le spectromètre magnétique alpha (Eng. Alpha Magnetic Spectrometer, AMS), opérant sur l'ISS, il a été récemment annoncé une grande "découverte" (bien que la plupart des communiqués de presse oublient de mentionner qu'ils ont simplement confirmé que l'expérience
PAMELA avait déjà ouvert en 2008). PAMELA a découvert, et AMS a confirmé, et étudié de manière beaucoup plus détaillée que dans l'espace il y a un énorme excès de positrons de haute énergie, par rapport à ce qui serait attendu (les positrons sont des antiparticules d'électrons). Pour les positrons "supplémentaires", les énergies varient de 10 GeV à au moins 350 GeV - et les données AMS ne vont pas plus loin.
Il est possible que ces positons soient apparus en raison de l'anéantissement des particules de matière noire. Mais si c'est le cas, il ne peut pas s'agir de particules TM du même type que l'expérience Fermi voit au centre de la Galaxie. Toute particule TM responsable du signal de l'AMS aurait une masse de plus de 350 GeV / s
2 pour émettre des positons d'énergie 350 GeV, alors que si les photons que Fermi voit produire précisément des particules TM, alors ces particules ne produirait un positron avec des énergies supérieures à 135 GeV. Cela découle uniquement de la conservation de l'énergie; si la masse de chacune des deux particules TM annihilantes est de 135 GeV / s
2 et qu'elles se déplacent assez lentement, à cause de laquelle leur énergie de mouvement est suffisamment faible, les électrons et positrons obtenus en annihilation ne peuvent pas avoir une énergie supérieure à 135 GeV. Fermi et AMS ne peuvent donc pas voir tous les deux les effets de la présence de TM - au moins l'un d'eux voit autre chose.
Comme ils l'ont dit en 2008 (et les expérimentateurs de l'AMS font attention à l'admettre), ces positons que PAMELA a vus alors et ce que l'AMS voit maintenant peuvent être générés par des effets astrophysiques, par exemple, un pulsar à proximité (une étoile en rotation rapide avec champ magnétique puissant, qui peut servir d'accélérateur naturel de particules et devenir une source de paires électron-positon supplémentaires). Et comme tout le monde le sait depuis 2008 (et que les expérimentateurs de l'AMS ont eu l'imprudence de ne pas admettre), les neutrinos les plus simples prédits par les théories de la
supersymétrie (ou toute autre mauviette) ne peuvent pas produire de signaux aussi puissants, à moins qu'il n'y ait encore une force inconnue augmenter le taux d'anéantissement. Et même alors, nous ne verrions pas de tels positrons sans d'autres signaux - à moins que nous supposions que ce TM appartient à une variété très exceptionnelle. Les théories en suspens sont cool à leur manière, mais les particules TM dans ces domaines ne sont pas de simples mauviettes avec des supersymétries qui ont été mentionnées dans des articles sur AMS.
La matière noire sous le pied
Continuons. Quelqu'un se souvient-il du projet DAMA (maintenant
DAMA / LIBRA )? Ils affirment qu'il existe des preuves de l'existence de la matière noire depuis plus de dix ans! Et ils ont vraiment une sorte de signal! Peut-être de la matière noire, ou peut-être pas.
Vous voyez, l'une des façons douteuses de trouver la MT est de la laisser vous trouver. Il suffit de placer une tranche ou un tonneau de matériau soigneusement sélectionné et raffiné dans le puits profondément souterrain. (La descente dans le sol réduit considérablement les effets des rayons cosmiques - particules de haute énergie de l'espace lointain). Étant donné que le HM doit traverser la matière normale et laisser rarement des traces, un flux de particules de HM s'écoulera à travers la pierre, dans le puits et à travers le baril de matériau. Et si vous êtes très, très patient, une de ces particules TM peut entrer en collision avec le noyau atomique à l'intérieur de votre matériau, et ce coup de pied peut devenir assez fort pour que vous puissiez le détecter si vous avez développé une expérience délicate. C'est exactement ce que font DAMA, XENON, CoGeNT, CRESST, CDMS et un tas d'autres expériences - et ils le font depuis un certain temps.
Mais il est plus difficile de le faire que de le dire. La radioactivité - un processus dans lequel un noyau atomique change de type en crachant une ou deux particules de haute énergie - peut imiter les effets d'une particule TM. (Un processus qui imite votre «signal» - que vous essayez de détecter - est appelé «arrière-plan»). L'arrière-plan de la détection des particules TM est souvent plus fort que le signal lui-même, et les expérimentateurs doivent très bien comprendre tous les arrière-plans possibles s'ils veulent détecter quelque chose d'aussi petit.
Mais maintenant, revenons à DAMA, ce qui peut être fait à partir d'une série de foutrement ingénieux. Au cours de l'année, la Terre se déplace autour du Soleil et sa vitesse par rapport à la vitesse moyenne des particules TM change. C’est comme si vous faisiez du vélo le long du ring un jour venteux, parfois le vent soufflera sur votre visage et parfois il vous poussera dans le dos. Tout comme la force du vent change lorsque vous faites le tour de la piste, la vitesse du «vent» du TM change tout au long de l'année. Et si la probabilité que les particules de TM interagissent avec le noyau dépend de la vitesse relative des deux (ce qui se fait dans de nombreuses variantes de ce qu'est le TM), alors le nombre de collisions avec le TM mesuré dans l'expérience devrait augmenter et diminuer avec un cycle par an .
Ainsi, au lieu de simplement rechercher des signes de plusieurs collisions, qui pourraient simplement être le résultat d'une radioactivité que vous ne compreniez pas, vous devrez peut-être rechercher des variations du nombre de collisions au cours d'une année! Si vous vous convaincez que la radioactivité et d'autres antécédents ne peuvent pas à eux seuls avoir un cycle annuel, alors toutes les fluctuations de ce type sont une preuve claire de la MT. Tout comme un cycliste dans un vent fort ressent un vent très fort lorsqu'il se déplace vers lui et plus faible lorsqu'il se déplace dans l'autre sens, de même la Terre en orbite autour du Soleil se déplace à une vitesse supérieure ou inférieure par rapport aux particules de TM voisines au cours de l'année. . Cela peut conduire à une fixation du nombre de collisions avec la MT, évoluant cycliquement tout au long de l'année.
Malheureusement, même si cela semble beau, les phénomènes de fond peuvent en fait changer de façon cyclique tout au long de l'année, peut-être en raison du fait que de petits changements de température peuvent provoquer la circulation de gaz plus ou moins radioactifs dans la mine, ou quelque chose comme ça . Ainsi, bien que les données de DAMA / LIBRA démontrent sans ambiguïté les fluctuations du nombre de collisions de particules candidates pour TM, il n'est pas encore tout à fait clair s'il s'agit de TM. Jusqu'à présent, personne n'a pu confirmer leurs signaux, mais personne n'a pu prouver qu'il s'agit d'une fausse alarme.
DAMA / LIBRA n'est pas le seul. Récemment, l'expérience CoGeNT a rapporté la découverte d'un excès de collisions possibles, dont le nombre, comme celui de DAMA / LIBRA, fluctue tout au long de l'année.
Et ce n’est pas tout. L'expérience CRESST a également signalé la fixation d'un tas de candidats pour les particules TM frappant les noyaux atomiques dans leurs détecteurs. Il y a plusieurs effets probables qui peuvent donner des candidats de ce type - mais, selon eux, si vous ajoutez tous ces effets ensemble, vous obtiendrez environ 42 candidats, et ils en ont déjà vu 67, ce qui correspond davantage à 4 écarts-types, ce qui est une preuve assez solide que il manque quelque chose.
Enfin, un autre indice: l'expérience CDMS a rapporté la fixation de trois candidats pour les collisions TM dans leurs morceaux de silicium. Ils ont des détecteurs à base de silicium et de germanium. Un nouveau résultat a été obtenu sur la base des données des détecteurs au silicium. Puisque le noyau de silicium est beaucoup plus léger que le noyau de germanium, le silicium répond mieux aux collisions avec des particules légères de HM. Et c'est très intéressant!
Mais, comme ils le disent avec soin, il n'est guère possible d'appeler le résultat décisif. Ce n'est certainement pas le résultat d'effets de fond. À première vue, ce n'est pas évident; les antécédents qui leur sont connus ne devraient donner en moyenne que la moitié des collisions, et la possibilité d'obtenir ces trois événements est d'environ 5% - pas entièrement incroyable, compte tenu du nombre de choses improbables qui peuvent se produire dans l'expérience. Mais lorsqu'ils prennent en compte les énergies de ces candidats à la collision, la probabilité tombe à 0,2%. Et puis l'affaire devient sérieuse. Mais rappelez-vous: tout cela signifie que (a) ils ont découvert la MT, ou (b) ils ont découvert l'activité de fond encore inconnue donnant un faux signal.
Si vous réunissez ces quatre expériences, les nouvelles sont bonnes et mauvaises. La bonne nouvelle est que ces quatre expériences - DAMA / LIBRA, CRESST, CoGeNT et CDMS - correspondent à des particules de TM situées quelque part dans la plage de 10 GeV / s
2 .
La mauvaise nouvelle est que les quatre dimensions ne sont pas cohérentes; de la probabilité d'interaction des particules TM d'une certaine masse, les éléments suivants des expériences ne coïncident pas et varient jusqu'à dix fois. Ceci est illustré dans la figure ci-dessous (tirée des
travaux du CDMS), où il est montré que les quatre bandes différentes associées aux observations des quatre expériences ne se chevauchent généralement pas. Cela signifie qu'au moins deux de ces expériences doivent être de fausses alarmes.
La figure montre les sections autorisées et inacceptables (avec une précision de 90%) en fonction de la masse de la particule TM (axe horizontal) et du nombre d'interactions avec la matière ordinaire (axe vertical). DAMA / LIBRA, CRESST et CoGeNT sont représentés respectivement en jaune, marron et rose. Les nouveaux résultats CDMS sont donnés en cyan et bleu; l'astérisque noir est la meilleure approximation. Notez qu'il n'y a aucun point où trois ou quatre sections se croiseraient à la fois. Dans ce cas, les résultats de l'analyse dans les expériences XENON10 et XENON100 excluent toutes les zones situées au-dessus des lignes vert clair et vert foncé, qui incluent les quatre autres expériences.De très mauvaises nouvelles découlent des résultats d'une autre expérience, qui devrait (apparemment) être plus sensible aux particules de TM de ce type que toute autre de ces expériences. Je veux dire le XENON100. Pour la plupart des signaux du XENON100, de nombreux événements candidats ont dû se produire, des dizaines ou plus. Mais jusqu'à présent, seuls deux l'ont vu. Et il s'avère que tous ces signaux sont exclus par l'expérience XENON100, ainsi que par une analyse spéciale de son prédécesseur, XENON10. On peut argumenter sur le fait que les résultats de CoGeNT et CDMS sont à peine réfutés, et donc peut-être devraient-ils encore être pris au sérieux.
Mais le fait qui donne à réfléchir est que dans toutes ces expériences souterraines, un petit arrière-plan non enregistré devrait se manifester sous la forme de plusieurs candidats à la collision à basse énergie supplémentaires, qui ressembleront beaucoup à ce que l'on peut attendre des particules de faible masse.
Comme le professeur Juan Collard, chef de l'expérience CoGeNT à l'Université de Chicago, l'a déclaré lors d'une conférence au CUNY Science Center à New York il y a plusieurs années, la saga sur la recherche de la MT est probablement une longue histoire de découverte d'un arrière-plan inattendu après l'autre - et cette histoire peut continuer assez longtemps, jusqu'à ce que des MT soient réellement trouvées, voire pas du tout, dans l'une de ces expériences. Et cela se reflète dans les nombreuses fausses alarmes que nous avons vues récemment. Fait intéressant, Collard a cessé de faire de telles déclarations après que CoGeNT a commencé à recevoir un signal qui peut être interprété comme TM. Mais souviens-toi de ce que tu as dit, Juan. On s'en souvient.
Pendant ce temps, c'est pour ces mystères que vivent les physiciens théoriciens. Le puzzle! Défiez! Inventez la théorie TM pour que les expériences CDMS et CoGeNT puissent facilement détecter ses effets, mais pas le XENON100! Les expériences fonctionnent différemment - CDMS et CoGeNT sont constitués de morceaux de silicium et de germanium, respectivement, et les utilisations du XENON100 - une surprise! - un baril de xénon. Il existe déjà de nombreux ouvrages sur ce sujet. Il s'avère très probablement que XENON100 a raison, tandis que CDMS et CoGeNT observent certains antécédents. Mais, peut-être, tout sera exactement le contraire.
Pour résumer: nous avons au moins six allusions à l'existence de la MT, qui pour la plupart ne correspondent pas entre elles. Le nouvel indice CDMS correspond à peu près à CoGeNT; mais s'ils voient tous les deux le TM, pourquoi le XENON100 n'observe-t-il pas un signal fort? Toutes ces expériences visent à améliorer leurs méthodes et leurs mesures, donc si certains de ces indices s'avèrent vraiment être des signes de MT, nous verrons bientôt d'autres exemples de preuves impressionnantes.