La quête de la matière noire des particules nous a conduit à rechercher des WIMP susceptibles de reculer avec les noyaux atomiques. La collaboration LZ fournira les meilleures limites sur les sections efficaces de nucléon WIMP de tous, mais les scénarios les plus motivés pour avoir une particule entraînée par une force faible à ou près de l'échelle électrofaible constituent 100% de la matière noire sont déjà exclus . (COLLABORATION LUX-ZEPLIN (LZ) / LABORATOIRE NATIONAL D'ACCÉLÉRATEURS SLAC)

L'espoir «Miracle WIMP» pour la matière noire est mort

Mais nous ne devons pas abandonner la détection directe. Voici pourquoi.

La matière noire n'est pas seulement la forme de matière la plus abondante dans l'Univers, c'est aussi la plus mystérieuse. Alors que toutes les autres particules que nous connaissons - atomes, neutrinos, photons, antimatière et toutes les autres particules du modèle standard - interagissent par au moins l'une des forces quantiques connues, la matière noire semble interagir uniquement par la gravité.

Selon beaucoup, il aurait été préférable de l'appeler matière invisible plutôt que matière noire. Non seulement il n'émet ni n'absorbe de lumière, mais il n'interagit avec aucune des particules connues et directement détectables par le biais des forces nucléaires électromagnétiques, fortes ou faibles. Le candidat à la matière noire le plus recherché est le WIMP: la particule massive à faible interaction. Le grand espoir était pour un miracle WIMP, une grande prédiction de la supersymétrie.

Nous sommes en 2019, et cet espoir est maintenant anéanti. Les expériences de détection directe ont complètement exclu les WIMP que nous espérions.

Lorsque vous heurtez deux particules ensemble, vous sondez la structure interne des particules entrant en collision. Si l'un d'eux n'est pas fondamental, mais plutôt une particule composite, ces expériences peuvent révéler sa structure interne. Ici, une expérience est conçue pour mesurer le signal de diffusion matière noire / nucléon. Cependant, il existe de nombreuses contributions banales qui pourraient donner un résultat similaire. Ce signal particulier apparaîtra dans les détecteurs Germanium, XENON liquide et ARGON liquide. (APERÇU DES QUESTIONS SOMBRES: COLLIDER, RECHERCHE DE DÉTECTION DIRECTE ET INDIRECTE - QUEIROZ, FARINALDO S. ARXIV: 1605.08788)

L'Univers, d'un point de vue astrophysique, doit être fait de plus que la matière normale que nous connaissons. La matière normale, dans ce cas, est considérée comme n'importe laquelle des particules connues dans le modèle standard. Il comprend tout ce qui est fait de quarks, de leptons ou des bosons connus, et comprend des objets exotiques comme les étoiles à neutrons, les trous noirs et l'antimatière. Toute la matière normale dans l'Univers a été quantifiée par une variété de méthodes, et elle ne totalise que jusqu'à environ un sixième de ce qui doit être présent, dans l'ensemble, pour expliquer les interactions gravitationnelles que nous voyons à l'échelle cosmique.

Le gros problème, bien sûr, est que toutes nos preuves de la matière noire sont indirectes. Nous pouvons observer ses effets dans le laboratoire astrophysique de l'espace, mais nous ne l'avons jamais détecté directement, dans un laboratoire ici sur Terre. Ce n'est pas, je vous en prie, faute d'avoir essayé.

Hall B du GNL avec installations XENON, avec le détecteur installé à l'intérieur du grand bouclier d'eau. S'il y a une section transversale non nulle entre la matière noire et la matière normale, non seulement une expérience comme celle-ci aura une chance de détecter directement la matière noire, mais il y a une chance que la matière noire finisse par interagir avec votre corps humain. (INFN)

Si vous souhaitez détecter directement la matière noire, ce n'est pas aussi simple que de détecter les particules connues du modèle standard. Pour tout ce qui est fait de quarks, de leptons ou des bosons connus, nous pouvons quantifier par quelles forces ils interagissent et avec quelle ampleur. Nous pouvons utiliser ce que nous savons sur la physique, et en particulier sur les forces connues et les interactions entre les particules connues, pour prédire des quantités comme les sections efficaces, les taux et les produits de désintégration, les amplitudes de diffusion et d'autres propriétés que nous sommes capables de mesurer en expérimental la physique des particules.

En 2019, nous avons rencontré un énorme succès sur ces fronts qui ont confirmé le modèle standard d'une manière dont les théoriciens et les expérimentateurs n'auraient pu rêver qu'il y a un demi-siècle. Les détecteurs des collisionneurs et des installations souterraines isolées ont ouvert la voie.

Les particules et les antiparticules du modèle standard ont désormais toutes été directement détectées, le dernier boson de Higgs étant tombé au LHC au début de cette décennie. Toutes ces particules peuvent être créées aux énergies du LHC, et les masses des particules conduisent à des constantes fondamentales qui sont absolument nécessaires pour les décrire complètement. Ces particules peuvent être bien décrites par la physique des théories quantiques des champs sous-jacentes au modèle standard, mais elles ne décrivent pas tout, comme la matière noire. (E. SIEGEL / AU-DELÀ DE LA GALAXIE)

Il existe tout un spectre de particules - à la fois fondamentales et composites - prédites par le modèle standard. Leurs interactions à travers les forces nucléaires fortes, électromagnétiques et nucléaires faibles peuvent être calculées grâce à des techniques développées dans la théorie des champs quantiques, nous permettant de créer et de détecter ces particules de diverses manières.

Chaque quark et antiquark a maintenant été produit directement dans un accélérateur, le quark supérieur, le dernier à retenir, tombant en 1995.

Tous les leptons et antileptons ont été vus par des détecteurs, le neutrino tau (et son équivalent antimatière, l'antineutrino tau) complétant le secteur des leptons du début au milieu des années 2000.

Et chacun des bosons du modèle standard a également été créé et détecté, avec le boson de Higgs, la dernière pièce du puzzle, apparaissant définitivement au LHC en 2012.

La première détection robuste à 5 sigma du boson de Higgs a été annoncée il y a quelques années par les collaborations CMS et ATLAS. Mais le boson de Higgs ne fait pas un seul «pic» dans les données, mais plutôt une bosse étalée, en raison de son incertitude inhérente à la masse. La valeur de sa masse à 125 GeV / c² est déroutante pour les physiciens, mais pas aussi déconcertante que le puzzle de la matière noire. (LA COLLABORATION CMS, «OBSERVATION DE LA DÉCROISSANCE DIPHOTON DU BOSON DE HIGGS ET MESURE DE SES PROPRIÉTÉS», (2014))

Nous comprenons comment les particules du modèle standard se comportent. Nous avons de solides prédictions sur la façon dont ils devraient interagir à travers toutes les forces fondamentales, et la confirmation expérimentale de ces théories. Nous avons également des contraintes extraordinaires sur la façon dont ils sont autorisés à interagir d'une manière au-delà du modèle standard. En raison de nos contraintes liées aux accélérateurs, aux rayons cosmiques, aux expériences de désintégration, aux réacteurs nucléaires et plus encore, nous avons pu exclure de nombreuses idées possibles qui ont été théorisées.

En ce qui concerne ce qui pourrait constituer la matière noire, cependant, tout ce que nous avons, ce sont les observations astrophysiques et notre travail théorique, en tandem, pour nous guider. Les théories possibles que nous avons formulées incluent un grand nombre de candidats à la matière noire, mais aucun n'a recueilli de support expérimental.

Les forces dans l'Univers, et si elles peuvent se coupler à la matière noire ou non. La gravité est une certitude; tous les autres ne le sont pas ou sont très limités quant au niveau d'interaction. (INSTITUT DU PÉRIMÈTRE)

Le candidat à la matière noire le plus recherché est le WIMP: la particule massive à faible interaction. Au tout début - c'est-à-dire dans les années 1970 - on s'est rendu compte que certaines théories de la physique des particules qui prédisaient de nouvelles particules au-delà du modèle standard pourraient éventuellement produire de nouveaux types de particules neutres stables s'il y avait un nouveau type de parité (un type de symétrie) qui les a empêchés de pourrir.

Cela inclut maintenant des idées comme la supersymétrie, les dimensions supplémentaires ou le petit scénario de Higgs. Tous ces scénarios ont la même histoire en commun:

  • Lorsque l'Univers était chaud et dense dès le début, toutes les particules (et antiparticules) qui pouvaient être créées ont été créées en grande abondance, y compris toutes celles supplémentaires, au-delà du modèle standard.
  • Lorsque l'Univers s'est refroidi, ces particules se sont dégradées pour devenir progressivement plus légères et plus stables.
  • Et si la plus légère était stable (en raison de la nouvelle symétrie de parité) et électriquement neutre, elle persisterait jusqu'à nos jours.

Si vous évaluez la masse et la section transversale de ces nouvelles particules, vous pouvez obtenir une densité prévue pour leur abondance estimée aujourd'hui.

Afin d'obtenir l'abondance cosmologique correcte de la matière noire (axe y), vous avez besoin que la matière noire ait les bonnes sections efficaces d'interaction avec la matière normale (gauche) et les bonnes propriétés d'auto-annihilation (droite). Des expériences de détection directe excluent désormais ces valeurs, rendues nécessaires par Planck (vert), défavorisant la matière noire WIMP à interaction de force faible. (PS BHUPAL DEV, ANUPAM MAZUMDAR ET SALEH QUTUB, FRONT.IN PHYS.2 (2014) 26)

C'est de là que vient l'idée de la matière noire WIMP. Ces nouvelles particules n'auraient pas pu interagir par l'interaction forte ou électromagnétique; ces interactions ont une section transversale trop élevée et se seraient déjà manifestées. Mais la faible interaction nucléaire est une possibilité. À l'origine, le «W» dans WIMP représentait l'interaction faible, en raison d'une coïncidence spectaculaire (apparaissant en supersymétrie) connue sous le nom de miracle WIMP.

Si vous ajoutez la densité de matière noire dont l'Univers a besoin aujourd'hui, vous pouvez déduire le nombre de particules de matière noire dont vous avez besoin pour une masse donnée. L'échelle de masse d'intérêt pour la supersymétrie - ou toute théorie apparaissant à l'échelle électrofaible - se situe dans la fourchette de 100 GeV à 1 TeV, afin que nous puissions les calculer ce que la section efficace d'auto-annihilation doit être afin d'obtenir la bonne abondance de matière noire.

Cette valeur (de section transversale multipliée par la vitesse) se révèle être d'environ 3 × 10 ^ –26 cm³ / s, ce qui correspond exactement à ce que vous attendez si de telles particules interagissaient par la force électrofaiible.

Aujourd'hui, les diagrammes de Feynman sont utilisés pour calculer chaque interaction fondamentale couvrant les forces fortes, faibles et électromagnétiques, y compris dans des conditions de haute énergie et de basse température / condensées. S'il y a une nouvelle particule qui se couple à l'interaction faible, elles interagiront, à un certain niveau, avec les particules connues du modèle standard, et auront donc une section transversale avec le proton et le neutron. (DE CARVALHO, VANUILDO S. ET AL. NUCL.PHYS. B875 (2013) 738–756)

Bien sûr, si de nouvelles particules interagissent par le biais de la force électrofaiible, elles se couplent également aux particules du modèle standard. Si une nouvelle particule se couple, par exemple, au boson W ou Z (qui porte la force faible), alors il y a une probabilité finie, non nulle, que ces particules entrent en collision avec toute particule à laquelle un boson W ou Z se couple, comme un quark à l'intérieur d'un proton ou d'un neutron.

Cela signifie que nous pouvons construire des expériences sur la matière noire à la recherche d'un recul nucléaire de particules de matière normale connues. Des reculs au-delà de ceux causés par la matière normale seraient la preuve de l'existence de la matière noire. Bien sûr, il y a des événements de fond: neutrons, neutrinos, noyaux en décomposition radioactive dans la matière environnante, etc. Mais si vous connaissez les combinaisons d'énergie et de quantité de mouvement du signal que vous recherchez, et que vous concevez intelligemment votre expérience, vous pouvez quantifier votre fond et extraire tout signal potentiel de matière noire qui pourrait être là.

Les limites de section transversale de protons et de neutrons de la collaboration LUX, qui ont effectivement exclu le dernier espace de paramètres de l'ère 2000 pour les WIMP interagissant à travers la force faible étant 100% de la matière noire. Notez, dans les zones légèrement ombrées en arrière-plan, comment les théoriciens font de nouvelles prédictions «révisées» à des coupes transversales de plus en plus basses. Il n'y a pas de bonne motivation physique pour le faire. (COLLABORATION LUX, PHYS. REV. LETT.118, 251302 (2017))

Ces expériences durent depuis des décennies et n'ont vu aucune matière noire. Les contraintes modernes les plus strictes viennent de LUX (ci-dessus) et XENON 1T (ci-dessous). Ces résultats nous informent que la section efficace d'interaction pour les protons et les neutrons est extraordinairement minuscule et est différente pour les scénarios dépendants du spin et indépendants du spin.

LUX nous a amenés à des limites de section efficaces dépendant du spin en dessous de 1,0–1,6 × 10 ^ −41 cm² pour les protons et les neutrons et celles indépendantes du spin en dessous de 1,0 × 10 ^ −46 cm²: suffisamment basses pour exclure tous les modèles de SUSY matière noire proposée par 2001. Une contrainte plus sensible vient maintenant de XENON: la contrainte neutronique dépendante du spin est de 6 × 10−42 cm², tandis que les sections efficaces indépendantes du spin sont inférieures à 4,1 × 10−47 cm², resserrant davantage les vis .

La section efficace WIMP / nucléon indépendante du spin obtient désormais ses limites les plus strictes de l'expérience XENON1T, qui s'est améliorée par rapport à toutes les expériences antérieures, y compris LUX. Alors que les théoriciens et les phénoménologues continueront sans aucun doute à produire de nouvelles prédictions avec des sections efficaces de plus en plus petites, l'idée d'un miracle WIMP a perdu toute motivation raisonnable avec les résultats expérimentaux que nous avons déjà en main. (E. APRILE ET AL., PHYS. REV. LETT. 121, 111302 (2018))

Il s'agit d'une mesure différente de celle de l'auto-annihilation des particules de matière noire, mais cette mesure nous dit quelque chose d'incroyablement précieux. Les modèles de supersymétrie ou de dimensions supplémentaires qui donnent les bonnes abondances de matière noire à travers les interactions faibles sont exclus par ces expériences. S'il y a de la matière noire WIMP, elle doit être plus faible que l'interaction faible ne peut comprendre 100% de la matière noire. De plus, le LHC ne devrait pas le produire de manière détectable.

Les théoriciens peuvent toujours modifier leurs modèles, et l'ont fait tant de fois, en poussant la section transversale attendue vers le bas et vers le bas en tant que résultat nul après le résultat nul. Cependant, c'est le pire type de science que vous pouvez faire: simplement déplacer les poteaux de but sans la raison physique autre que vos contraintes expérimentales est devenue plus sévère. Il n'y a plus aucune motivation, à part préférer une conclusion que les données sont exclues, ce faisant.

Il y avait une grande variété de nouvelles signatures physiques potentielles que les physiciens recherchaient au LHC, des dimensions supplémentaires à la matière noire en passant par les particules supersymétriques aux trous micro-noirs. Malgré toutes les données que nous avons collectées sur ces collisions à haute énergie, aucun de ces scénarios n'a montré de preuves étayant leur existence. (EXPÉRIENCE CERN / ATLAS)

Mais effectuer ces expériences de détection directe est toujours incroyablement précieux. Il existe d'autres façons de produire de la matière noire qui vont au-delà du scénario le plus conventionnel. De plus, ces contraintes ne nécessitent pas une source de matière noire non WIMPy. De nombreux autres scénarios intéressants n'ont pas besoin d'un miracle WIMP.

Pendant de nombreuses décennies, le «W» a été reconnu non pas pour l'interaction faible, mais pour une interaction pas plus forte que ne le permet la force faible. Si nous avons de nouvelles particules au-delà du modèle standard, nous pouvons également avoir de nouvelles forces et interactions. Des expériences comme XENON et LUX sont notre seul moyen de les tester.

De plus, les candidats à la matière noire qui sont produits par un mécanisme différent à des gammes de masse inférieures, comme les axions ou les neutrinos stériles, ou par l'interaction gravitationnelle seule à des masses plus élevées, comme les WIMPzillas, sont très en jeu.

Le montage cryogénique d'une des expériences cherchant à exploiter une interaction hypothétique pour un candidat à la matière noire non WIMP: l'axion. Les axions, s'ils sont de la matière noire, peuvent se convertir en photons par l'interaction électromagnétique, et la cavité présentée ici est conçue pour tester cette possibilité. Cependant, si la matière noire n'a pas les propriétés spécifiques que les expériences actuelles testent, aucun des détecteurs que nous avons construits ne la trouvera jamais directement. (EXPÉRIENCE AXION DARK MATTER (ADMX) / LLNL'S FLICKR)

Notre chasse à la matière noire en laboratoire, grâce à des efforts de détection directe, continue d'imposer des contraintes importantes sur ce que la physique peut être présente au-delà du modèle standard. Pour ceux qui sont mariés aux miracles, cependant, des résultats positifs semblent de plus en plus improbables. Cette recherche rappelle maintenant l'ivrogne à la recherche de ses clés perdues sous le lampadaire. Il sait qu'ils ne sont pas là, mais c'est le seul endroit où brille la lumière qui lui permet de regarder.

Le miracle WIMP peut être mort et disparu, car les particules interagissant à travers la force faible à l'échelle électrofaible ont été défavorisées par les collisionneurs et la détection directe. L'idée de la matière noire WIMP, cependant, perdure. Nous devons juste nous rappeler que lorsque vous entendez WIMP, nous incluons la matière noire qui est plus faible et plus mouillée que même les interactions faibles ne le permettront. Il y a sans aucun doute quelque chose de nouveau dans l'Univers qui attend d'être découvert.

Le miracle WIMP est terminé. Mais nous pourrions encore obtenir le meilleur miracle de tous: si ces expériences aboutissent à quelque chose au-delà d'un résultat nul. La seule façon de savoir est de regarder.

Starts With A Bang est maintenant sur Forbes, et republié sur Medium grâce à nos supporters Patreon. Ethan est l'auteur de deux livres, Beyond The Galaxy et Treknology: The Science of Star Trek from Tricorders to Warp Drive.