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    Recherche de matière noire près des étoiles à neutrons avec des radiotélescopes

    L'opération de symétrie CP effectuée sur une particule de méson. Nous disons que la symétrie CP est violée si nous observons que le système d'origine (première image de la figure 1) se désintègre en une particule différente de celle du système transformé CP. Crédit :Kavli IPMU

    Dans les années 1970, les physiciens ont découvert un problème avec le modèle standard de la physique des particules, la théorie qui décrit trois des quatre forces fondamentales de la nature (électromagnétique, faible, et des interactions fortes; le quatrième est la gravité). Ils ont trouvé que, alors que la théorie prédit qu'une symétrie entre les particules et les forces de notre Univers et une version miroir devraient être brisées, les expériences disent le contraire. Cette inadéquation entre la théorie et les observations est surnommée « le problème de CP fort »—CP signifie Charge + Parité. Quel est le problème de CP, et pourquoi cela a-t-il intrigué les scientifiques pendant près d'un demi-siècle ?

    Dans le modèle standard, l'électromagnétisme est symétrique sous C (conjugaison de charges), qui remplace les particules par des antiparticules; P (parité), qui remplace toutes les particules par leurs homologues en miroir ; et, T (inversion du temps), qui remplace les interactions remontant dans le temps par celles remontant dans le temps, ainsi que des combinaisons des opérations de symétrie CP, CT, TP, et CPT. Cela signifie que les expériences sensibles à l'interaction électromagnétique ne devraient pas être en mesure de distinguer les systèmes originaux de ceux qui ont été transformés par l'une ou l'autre des opérations de symétrie susmentionnées.

    Dans le cas de l'interaction électromagnétique, la théorie correspond très bien aux observations. Comme anticipé, le problème réside dans l'une des deux forces nucléaires :l'interaction forte. Comme il s'avère, la théorie permet des violations de l'opération de symétrie combinée CP (réfléchir les particules dans un miroir puis changer la particule pour l'antiparticule) à la fois pour l'interaction faible et forte. Cependant, Les violations de CP n'ont jusqu'à présent été observées que pour l'interaction faible.

    Plus précisement, pour les interactions faibles, La violation de CP se produit approximativement au 1-en-1, 000 niveau, et de nombreux scientifiques s'attendaient à un niveau similaire de violations pour les interactions fortes. Pourtant, les expérimentateurs ont longuement recherché la violation de CP, mais en vain. Si cela se produit dans l'interaction forte, il est supprimé par plus d'un facteur d'un milliard (10 9 ).

    Télescope de Green Bank en Virginie-Occidentale, ETATS-UNIS. Crédit :GBO / AUI / NSF

    En 1977, les physiciens théoriciens Roberto Peccei et Helen Quinn ont proposé une solution possible :ils ont émis l'hypothèse d'une nouvelle symétrie qui supprime les termes violant CP dans l'interaction forte, faisant ainsi correspondre la théorie aux observations. Peu après, Steven Weinberg et Frank Wilczek, tous deux lauréats du prix Nobel de physique en 1979 et 2004, respectivement - réalisé que ce mécanisme crée une particule entièrement nouvelle. Wilczek a finalement surnommé cette nouvelle particule « l'axion, ' d'après un détergent à vaisselle populaire du même nom, pour sa capacité à nettoyer le problème de CP fort.

    L'axion doit être une particule extrêmement légère, être extraordinairement abondant en nombre, et n'ont aucun frais. En raison de ces caractéristiques, les axions sont d'excellents candidats à la matière noire. La matière noire représente environ 85 pour cent du contenu massique de l'Univers, mais sa nature fondamentale reste l'un des plus grands mystères de la science moderne. Découvrir que la matière noire est constituée d'axions serait l'une des plus grandes découvertes de la science moderne.

    En 1983, le physicien théoricien Pierre Sikivie a découvert que les axions ont une autre propriété remarquable :en présence d'un champ électromagnétique, ils devraient parfois se convertir spontanément en photons facilement détectables. Ce qui était autrefois considéré comme complètement indétectable, s'est avéré potentiellement détectable tant qu'il y a une concentration suffisamment élevée d'axions et de forts champs magnétiques.

    Certains des champs magnétiques les plus puissants de l'Univers entourent les étoiles à neutrons. Comme ces objets sont également très massifs, ils pourraient également attirer un grand nombre de particules de matière noire axionique. Ainsi, des physiciens ont proposé de rechercher des signaux d'axions dans les régions environnantes des étoiles à neutrons. Maintenant, une équipe de recherche internationale, dont le Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) postdoc Oscar Macias, a fait exactement cela avec deux radiotélescopes - le télescope Robert C. Byrd Green Bank aux États-Unis, et le radiotélescope Effelsberg 100 m en Allemagne.

    Les cibles de cette recherche étaient deux étoiles à neutrons proches connues pour avoir de forts champs magnétiques, ainsi que le centre de la Voie Lactée, qui abriterait un demi-milliard d'étoiles à neutrons. L'équipe a échantillonné des fréquences radio dans la gamme 1 GHz, correspondant à des masses d'axions de 5-11 micro électron-volt. Comme aucun signal n'a été vu, l'équipe a pu imposer les limites les plus strictes à ce jour aux particules de matière noire axionique d'une masse de quelques micro électrons-volts.


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