L'âge de la découverte n'est pas terminé.

Une fois que, des Européens criblés de scorbut ont navigué dans l'inconnu pour revendiquer des étrangers, parties fantastiques du monde. Maintenant, les physiciens s'assoient dans les laboratoires et demandent, "Est-ce tout ce qu'il ya?"

Non, ils ne souffrent pas d'une crise existentielle collective.

Ils recherchent de la matière noire, ce qui constitue théoriquement un quart de notre univers.

Et les chercheurs de West Aussie sont à la pointe de cette recherche, dans le cadre d'un projet à l'échelle australienne pour détecter une particule appelée l'axion.

Quelle est la matière (sombre) ?

Si la matière noire existe, vous êtes probablement assis dans une soupe en ce moment.

Les scientifiques prédisent qu'il représente 26,8% de l'univers, ce qui est assez significatif si l'on considère que tout ce que nous pouvons observer, des atomes d'hydrogène aux trous noirs, ne représente que 5%. (Les 69 % restants sont ce que les scientifiques appellent l'énergie noire. Ne vous en faites pas.)

Il y a juste un problème. Il n'interagit pas avec l'électromagnétisme, la force entre les particules chargées positivement et négativement. Il est responsable de pratiquement tout ce que nous pouvons observer dans la vie de tous les jours, à l'exception de la gravité.

Les forces électromagnétiques présentes entre les atomes et les molécules dans le sol sont la raison pour laquelle la gravité de la Terre ne continue pas à nous attirer jusqu'à son noyau (en fusion et chaud). La lumière émise par votre ordinateur, vous permettant de lire cette histoire, est généré par les interactions de particules chargées électriquement dans votre moniteur, autrement connu sous le nom d'électricité.

La matière ordinaire ressemble à la matière ordinaire à cause des forces électromagnétiques entre les atomes et les molécules. Mais la matière noire n'interagit pas avec l'électromagnétisme. Cela signifie que nous ne pouvons pas voir, sentir, le goûter ou le toucher. Donc, si la matière noire est essentiellement indétectable, pourquoi pensons-nous qu'il existe? Et que cherchons-nous sur Terre ?

Dans le noir

Commençons par une hypothèse de base :la gravité existe. Avec l'électromagnétisme, la gravité est l'une des quatre forces de base que les physiciens utilisent pour expliquer presque tout. La gravité dit que les choses lourdes attirent toutes les autres choses lourdes, L'attraction gravitationnelle de la Terre est donc la raison pour laquelle nous ne flottons pas tous sans but dans l'espace.

Si nous regardons dans tout cet espace, nous pouvons voir que notre galaxie de la Voie lactée est en forme de spirale. Smack bang dans le centre galactique est un grand, renflement en forme de barre à partir duquel des bras en spirale serpentent en un cercle plat. La Terre se trouve quelque part au milieu de l'un de ces bras et effectue un tour de la galaxie tous les 225 à 250 millions d'années.

Si nous considérons l'univers entier comme un parc d'attractions géant, nous pouvons imaginer notre Voie Lactée comme un carrousel. Contrairement aux carrousels normaux qui ont des poneys en plastique fixés par des poteaux, les étoiles, les lunes et les planètes qui composent notre galaxie sont déconnectées et libres de tourner à des vitesses différentes.

Donc si tout est décousu et tourne, qu'est-ce qui nous maintient parfaitement en orbite dans notre petite spirale ? Eh bien, si nous continuons avec l'analogie du parc à thème, nous pouvons comparer ce phénomène à un tour de balançoire. En se balançant sur une chaise autour d'une tour, une chaîne en métal fournit une force constante au centre de la course qui vous permet de tourner en rond autour de ce poteau central.

Le même genre de chose se produit dans l'espace, sauf au lieu d'une chaîne, nous avons la gravité. La gravité est fournie par la masse de choses, en particulier, la masse de notre centre galactique, que les scientifiques pensent être un trou noir supermassif. Il a tellement de masse dans si peu d'espace qu'il exerce une force gravitationnelle si élevée qu'il aspire la lumière.

Lorsque vous vous éloignez du centre et entrez dans le halo galactique plat, on voit beaucoup moins de choses. Moins de choses signifie moins de masse, ce qui signifie moins de gravité. On pourrait donc s'attendre à ce que la matière dans les bras spiraux tourne plus lentement que la matière plus proche du milieu.

Ce que les astrophysiciens voient en réalité, c'est que les choses à la périphérie de la galaxie tournent au même rythme que les choses près du centre de la galaxie - et c'est sacrément rapide. Si tel était le cas dans notre parc à thème, nous serions tombés dans un scénario cauchemardesque.

Le tour de la chaise tournante tournerait si vite que la chaîne ne fournirait plus assez de force pour vous faire bouger en cercle. La chaîne se briserait, et vous seriez jeté à une mort digne d'un film d'horreur de qualité B.

Le fait que la Terre n'ait pas été lancée au loin suggère que nous sommes entourés de beaucoup plus de masse, qui fournit tout un tas de gravité et maintient notre galaxie en forme. Et la plupart des physiciens pensent que la masse pourrait n'être que de la matière noire.

Candidats noirs

Juste une seconde, oubliez tout ce que vous venez de lire. Nous allons arrêter de regarder les étoiles et étudier à la place des choses beaucoup plus petites :des particules. La physique des particules est le foyer de ce problème appelé problème de parité de charge forte (CP). C'est un très gros problème inexplicable dans la théorie par ailleurs couronnée de succès de la chromodynamique quantique. Ne t'en fais pas.

En utilisant des équations mathématiques, les physiciens des particules dans les années 70 ont suggéré que nous pourrions résoudre ce problème de CP fort avec l'introduction d'une particule théorique appelée l'axion. And if we do more maths and write a description of what the axion particle should look like, we would find that it has two very exciting qualities—a) it has mass and b) it does not interact with electromagnetism very much at all.

Which sounds suspiciously like the qualities of dark matter. The axion is what physicists call a 'promising candidate' for dark matter. It's like killing two birds with one theoretical, invisible stone.

And if axions are dark matter, we should be surrounded by them right now. If we could only build the right equipment, we could perhaps detect the mysterious mass that's holding our galaxy together. Comme ça arrive, some clever scientists at UWA are doing just that.

Dark matter turns light

Physicists at a UWA node of the ARC Centre of Excellence for Engineered Quantum Systems (EQuS) are employing a piece of equipment called a haloscope—so called because it searches for axions in the galactic halo (which you're sitting in right now).

A haloscope is basically an empty copper can (a 'resonant cavity') placed in a very cold, very strong magnetic field. If axions are dark matter and exist all around us, one might enter the resonant cavity, react with the magnetic field and transform into a particle of light—a photon.

Whilst we wouldn't be able to see these photons, scientists are pretty good at measuring them. They're able to measure how much energy it has (its frequency) as it sits inside the resonant cavity. And that frequency corresponds to the mass of the axion that it came from.

Le problème est, resonant cavities (those empty copper cans) are created to detect photons with specific frequencies. We don't know how heavy axions are, so we don't know what frequency photon they will produce, which means building the right resonator involves a bit of guesswork.

The search for the axion is more of a process of elimination. What have they been able to exclude so far? Bien, mostly due to technical limitations, scientists have previously been looking for axions with a low mass. New theoretical models predict that the axion is a bit heavier. How heavy? We don't know. But Aussie researchers have just been awarded 7 years of funding to try and find out.

Scoping the halo

The Oscillating Resonant Group AxioN (ORGAN) experiment is a nationwide collaboration between members of EQuS and is hosted at UWA.

Part of the physicists' work over the next 7 years will be to design resonant cavities that are capable of detecting heavier axions.

They ran an initial experiment over Christmas 2016, the ORGAN Pathfinder, to confirm that their haloscopes were up to the task ahead and that the physicists were capable of analysing their results.

This experiment yielded no results—but that doesn't mean that axions don't exist. It only means that they don't exist with the specific mass that they searched for in December 2016 and to a certain level of sensitivity.

The intrepid explorers at UWA will set sail into the next stages of the ORGAN experiment in 2018. And perhaps soon, we'll know exactly what the matter is.

Cet article a été publié pour la première fois sur Particle, un site d'actualité scientifique basé à Scitech, Perth, Australie. Lire l'article original.