La quête de la matière noire des particules nous a amenés à rechercher des WIMP susceptibles de reculer avec les noyaux atomiques. La collaboration LZ fournira les meilleures limites pour les coupes transversales WIMP-nucléon, mais les scénarios les mieux motivés pour avoir une particule induite par la force faible à l'échelle électrofaible ou près de celle-ci représentent déjà 100% de la matière noire sont déjà exclus . (LUX-ZEPLIN (LZ) COLLABORATION / LABORATOIRE NATIONAL D'ACCÉLÉRATEUR SLAC)

L’espoir du «miracle WIMP» pour la matière noire est mort

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

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

Selon beaucoup, il serait préférable de l'appeler matière invisible plutôt que matière noire. Non seulement il n'émet ni n'absorbe pas de lumière, mais il n'interagit avec aucune des particules connues directement détectables par l'intermédiaire des forces nucléaires électromagnétiques, fortes ou faibles. Le plus recherché des candidats à la matière noire est le WIMP: la particule massive à interaction faible. Le grand espoir était de réaliser un miracle de 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 rencontrez deux particules, vous examinez la structure interne des particules en collision. Si l’une d’elles n’est pas fondamentale, 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 et de fond qui pourraient donner un résultat similaire. Ce signal particulier apparaîtra dans les détecteurs Germanium, XENON liquide et ARGON liquide. (APERÇU GÉNÉRAL: RECHERCHE COLLIDER, RECHERCHE DE DÉTECTION DIRECTE ET INDIRECTE - QUEIROZ, FARINALDO S. ARXIV: 1605.08788)

L’univers, d’un point de vue astrophysique, doit être constitué de plus que la matière normale que nous connaissons. Dans ce cas, la matière normale est considérée comme l'une des particules connues du modèle standard. Cela inclut tout ce qui est fabriqué à partir de quarks, de leptons ou des bosons connus, ainsi que des objets exotiques comme les étoiles à neutrons, les trous noirs et l'antimatière. Toute la matière normale de l'Univers a été quantifiée par diverses méthodes et ne totalise qu'environ un sixième de ce qui doit être présent, globalement, pour expliquer les interactions gravitationnelles observées à l'échelle cosmique.

Le gros problème, bien sûr, est que toutes nos preuves de la matière noire sont indirectes. Nous pouvons en observer les 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 parce que vous n’essayez pas.

Hall B de LNGS avec installations XENON, avec le détecteur installé à l’intérieur du grand bouclier d’eau. S'il existe 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 est également possible que la matière noire interagisse éventuellement 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 composé de quarks, de leptons ou de bosons connus, nous pouvons quantifier les forces avec lesquelles ils interagissent et avec quelle ampleur. Nous pouvons utiliser ce que nous savons de la physique, et en particulier des forces connues et des interactions entre les particules connues, pour prédire des quantités telles que les sections efficaces, les taux de désintégration et les produits, les amplitudes de diffusion et d'autres propriétés que nous sommes capables de mesurer expérimentalement. la physique des particules.

En 2019, nous avons rencontré un succès retentissant sur les fronts qui ont confirmé le modèle standard d’une manière que les théoriciens et les expérimentateurs n’avaient pu imaginer il ya 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 maintenant toutes été détectées directement, le dernier bélier, le boson de Higgs, ayant chuté 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 absolument nécessaires pour les décrire complètement. Ces particules peuvent être bien décrites par la physique des théories des champs quantiques sous-jacentes au modèle standard, mais elles ne décrivent pas tout, à l'instar de la matière noire. (E. SIEGEL / AU-DELÀ DE LA GALAXIE)

Le modèle standard prédit un large éventail de particules, à la fois fondamentales et composites. Leurs interactions par le biais des forces nucléaires fortes, nucléaires, électromagnétiques et faibles peuvent être calculées à l'aide de techniques développées dans la théorie des champs quantiques, nous permettant de créer et de détecter ces particules de différentes manières.

Chaque quark et chaque antiquark sont désormais directement produits dans un accélérateur, le quark de tête, le dernier en date, tombant en 1995.

Les détecteurs ont examiné chaque lepton et chaque antilepton, le neutrino tau (et son homologue antimatière, le tau antineutrino) complétant le secteur des lepton entre le début et le milieu des années 2000.

Et chacun des bosons du modèle standard a également été créé et détecté, avec le boson de Higgs, dernière pièce du puzzle, qui fera définitivement son apparition 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 crée pas un seul

Nous comprenons le comportement des particules du modèle standard. Nous avons des prévisions solides quant à la manière dont ils devraient interagir à travers toutes les forces fondamentales, et une confirmation expérimentale de ces théories. Nous avons également des contraintes extraordinaires sur la manière dont ils sont autorisés à interagir au-delà du modèle standard. En raison des contraintes liées aux accélérateurs, aux rayons cosmiques, aux expériences de désintégration, aux réacteurs nucléaires, etc., nous avons pu exclure de nombreuses idées possibles théorisées.

En ce qui concerne ce qui pourrait constituer la matière noire, cependant, nous ne disposons que des observations astrophysiques et de nos travaux théoriques, en tandem, pour nous guider. Les théories possibles que nous avons proposées incluent un grand nombre de candidats à la matière noire, mais aucun n’a recueilli de soutien 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 sont pas ou sont très limités quant au niveau d'interaction. (INSTITUT DU PÉRIMÈTRE)

Le candidat le plus recherché en matière de matière noire est le WIMP: la particule massive à interaction faible. Dans les premiers temps - 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 stables et neutres s'il existait un nouveau type de parité (un type de parité). symétrie) qui les empêchait de se décomposer.

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

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

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

Afin d'obtenir l'abondance cosmologique correcte de matière noire (axe des ordonnées), il est nécessaire que la matière noire présente les sections efficaces d'interaction correctes avec la matière normale (à gauche) et les propriétés d'auto-annihilation de droite (à droite). Les expériences de détection directe excluent maintenant ces valeurs, rendues nécessaires par Planck (vert), défavorisant la matière noire WIMP en interaction force faible. (P.S. 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 le biais d’une interaction forte ou électromagnétique; ces interactions ont une section trop élevée et se seraient déjà manifestées. Mais la faible interaction nucléaire est une possibilité. À l'origine, le «W» dans WIMP signifiait l'interaction faible, en raison d'une coïncidence spectaculaire (apparaissant dans la supersymétrie) connue sous le nom de miracle de WIMP.

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

Cette valeur (de la section transversale multipliée par la vitesse) s’avère être d’environ 3 × 10 ^ –26 cm³ / s, ce qui est tout à fait conforme à ce à quoi vous vous attendiez si de telles particules interagissaient sous la force électrofaible.

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 / condensation. S'il existe une nouvelle particule couplée à l'interaction faible, elles interagiront, à un certain niveau, avec les particules connues du modèle standard, et auront donc une section 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 sous l'effet de la force électrofaible, elles se coupleraient également aux particules du modèle standard. Si une nouvelle particule est couplée, par exemple, au boson W ou Z (qui porte la force faible), il existe alors 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 dans un proton ou 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 constitueraient une preuve de l’existence de matière noire. Bien sûr, il y a des événements de fond: neutrons, neutrinos, noyaux radioactifs en décomposition 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 de matière noire potentiel qui pourrait être présent.

Les limites de section transversale de protons et neutrons de la collaboration LUX, qui ont en fait exclu le dernier espace paramétrique des années 2000 pour les WIMP interagissant par le biais de la force faible, soit 100% de la matière noire. Notez, dans les zones légèrement ombrées à l’arrière-plan, la manière dont les théoriciens établissent de nouvelles prévisions «révisées» aux sections efficaces inférieures et inférieures. Il n'y a pas de bonne motivation physique pour faire cela. (LUX COLLABORATION, PHYS. REV. LETT. 118, 251302 (2017))

Ces expériences sont en cours depuis des décennies et n'ont révélé aucune matière noire. Les contraintes modernes les plus strictes viennent de LUX (ci-dessus) et XENON 1T (ci-dessous). Ces résultats nous apprennent que la section efficace d'interaction pour les protons et les neutrons est extrêmement petite et différente pour les scénarios dépendant du spin et indépendants du spin.

LUX nous a ramenés à des limites de section efficaces dépendantes du spin inférieures à 1,0–1,6 × 10 ^ −41 cm² pour les protons et neutrons indépendants du spin inférieur à 1,0 × 10 ^ −46 cm²: assez 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, le serrage des vis .

La section efficace WIMP / nucléon indépendante du spin tire désormais ses limites les plus strictes de l’expérience XENON1T, qui s’est améliorée par rapport à toutes les expériences antérieures, y compris LUX. Tandis que les théoriciens et les phénoménologues continueront sans doute à produire de nouvelles prévisions avec des sections de plus en plus petites, l’idée d’un miracle de 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))

Cette mesure est différente de celle voulant que les particules de matière noire s'auto-annihilent, 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 grâce aux 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 permet de comprendre 100% de la matière noire. De plus, le LHC ne devrait pas le produire de manière décelable.

Les théoriciens peuvent toujours peaufiner leurs modèles, et ils l’ont fait tant de fois, poussant la coupe transversale anticipée comme résultat nul après résultat nul. C’est le pire type de science que vous puissiez faire, cependant: déplacer simplement les points de but raison physique autre que vos contraintes expérimentales sont devenues plus sévères. Il n'y a plus aucune motivation autre que celle de préférer une conclusion que les données excluent, ce faisant.

Les physiciens cherchaient une multitude de nouvelles signatures de physique potentielles au LHC, allant des dimensions supplémentaires à la matière noire en passant par les particules supersymétriques et les micro-trous noirs. Malgré toutes les données que nous avons collectées à partir de ces collisions à haute énergie, aucun de ces scénarios n’a montré de preuves étayant leur existence (CERN / ATLAS EXPERIMENT).

Cependant, la réalisation de ces expériences de détection directe reste extrêmement utile. Il existe d'autres moyens 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, il a été reconnu que le «W» ne représente pas une interaction faible, mais une interaction non 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 telles que XENON et LUX sont notre seul moyen de sonder celles-ci.

De plus, les candidats à la matière noire produits par un mécanisme différent dans les plages de masses inférieures, comme les axions ou les neutrinos stériles, ou par la seule interaction gravitationnelle dans les masses supérieures, tels que WIMPzillas, jouent un rôle très important.

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, pourraient se convertir en photons par le biais de 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 testées par les expériences actuelles, aucun des détecteurs que nous avons construits ne la trouvera jamais directement. (AXION DARK MATTER EXPÉRIMENT (ADMX) / LLNL’S FLICKR)

Notre recherche de la matière noire en laboratoire, grâce à des efforts de détection directs, continue de placer des contraintes importantes sur ce que la physique peut être présent au-delà du modèle standard. Pour ceux liés aux miracles, cependant, tout résultat positif semble maintenant de plus en plus improbable. Cette recherche fait maintenant penser à l’ivrogne cherchant ses clés perdues sous le lampadaire. Il sait qu’ils ne sont pas là, mais c’est le seul endroit où la lumière lui permettant de regarder brille.

Le miracle de WIMP est peut-être mort et disparu, car les particules interagissant à travers la force faible à l'échelle électrofaible ont été désavantagées par les deux collisionneurs et par la détection directe. L'idée de la matière noire WIMP, cependant, vit encore. N'oubliez pas que lorsque vous entendez WIMP, nous incluons la matière noire qui est plus faible et plus délicate que ne le permettent les interactions faibles. Il y a sans doute quelque chose de nouveau dans l'univers, qui attend d'être découvert.

Le miracle WIMP est terminé. Mais nous pourrions toujours obtenir le meilleur miracle de tous: si ces expériences aboutissent à autre chose qu'un résultat nul. La seule façon de savoir est de regarder.

Débute avec un coup est maintenant sur Forbes, et republié sur moyen grâce à nos partisans de Patreon. Ethan est l'auteur de deux livres, Beyond The Galaxy et Treknology: La science de Star Trek, de Tricorders à Warp Drive.