Vous ne pouvez pas le voir. Vous ne pouvez pas le sentir. Mais la substance que les scientifiques appellent matière noire pourrait représenter cinq fois plus de « trucs » dans l'univers que la matière ordinaire qui forme tout à partir des arbres, trains et l'air que vous respirez, aux étoiles, planètes et nuages ​​de poussière interstellaires.

Bien que les scientifiques voient indirectement la signature de la matière noire dans la façon dont les gros objets orbitent les uns autour des autres, en particulier comment les étoiles tourbillonnent autour des centres des galaxies spirales, personne ne sait encore ce que comprend cette substance. L'un des candidats est un boson Z', une particule fondamentale qui a été théorisée pour exister mais jamais détectée.

Une nouvelle expérience proposée pourrait aider les scientifiques à déterminer si les bosons Z' sont réels, identifiant ainsi un candidat possible à la matière noire. Pour accomplir cette tâche, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST), l'Université de Groningue aux Pays-Bas, le centre canadien d'accélérateurs de particules TRIUMF et d'autres collaborateurs travaillent à faire les mesures les plus précises à ce jour d'une propriété nucléaire qui est extrêmement difficile à mesurer, appelée violation de la parité dépendante du spin nucléaire (NSD-PV).

L'expérience physique - qui n'a pas encore été construite - aurait une conception de fontaine similaire aux fontaines atomiques que les scientifiques utilisent actuellement comme norme pour le chronométrage. Cependant, au lieu d'atomes solitaires, l'expérience utiliserait des molécules composées de trois atomes chacune. À l'heure actuelle, personne n'a construit une fontaine moléculaire avec des molécules comprenant chacune plus de deux atomes. En outre, contrairement au précédent, approches similaires, la méthode proposée se concentrerait sur des atomes plus légers, comme le carbone, qui sont plus faciles à modéliser que les plus lourds, comme le césium utilisé dans les horloges fontaines du NIST.

Le papier de l'équipe, publié cette semaine dans Examen physique A , contient une proposition pour l'expérience ainsi que les meilleurs calculs à ce jour des mesures que les chercheurs pourraient s'attendre à recueillir. Dans leurs nouveaux calculs, les chercheurs ont pu prédire ce que devrait être le signal NSD-PV avec une incertitude de seulement 10 %, une précision bien plus élevée que jamais auparavant, les chercheurs ont dit. Si le signal que les scientifiques obtiennent finalement est nettement plus important que ne le prédisent leurs calculs, ce serait potentiellement une signature d'une nouvelle physique, une physique qui dépasse le cadre de notre compréhension de l'univers.

"Dans ce travail, nous combinons nos nouvelles techniques expérimentales avec les calculs nucléaires et moléculaires de pointe de nos collaborateurs, qui ouvre une voie vers la mesure de certaines des propriétés les moins connues des particules fondamentales que nous sommes capables de mesurer, " a déclaré Eric Norrgard, chercheur au NIST.

Quelle est la grande idée ?

L'effet NSD-PV qui fait l'objet de ce travail est lié à la force faible, l'une des quatre forces fondamentales de l'univers. La force faible est responsable de la désintégration radioactive et de la fusion, qui transforment une sorte d'atome en une autre. Il joue également un rôle dans les forces qui maintiennent les électrons en orbite autour des noyaux atomiques.

Contrairement aux autres forces fondamentales, la force faible subit quelque chose appelé violation de parité, qui a en fait été découvert au National Bureau of Standards (NBS), l'organisation qui est finalement devenue le NIST. La violation de la parité, c'est quand, d'une manière générale, l'inversion des coordonnées spatiales d'un objet n'inverse pas son comportement. (Si vous tenez cinq doigts dans un miroir, et ton reflet en tient quatre, c'est une violation de la parité !)

Dans le cas du NSD-PV, les chercheurs s'attendent à une sorte de violation de la parité. Ce qu'ils recherchent spécifiquement, ce sont des aberrations dans le signal de violation de parité, une mesure de la violation différente de ce à quoi ils s'attendent.

Si leurs meilleurs modèles mathématiques leur disent que le signal NSD-PV devrait être x, mais leurs meilleures mesures leur montrent que le signal est en fait y, cela peut alors être un signe que la base des modèles est incorrecte, ce qui peut indiquer que l'univers fonctionne différemment de ce que nous pensions. C'est l'importance de mesurer la violation de la parité NSD.

La plupart des groupes mesurant le NSD-PV examinent les systèmes où l'effet devrait être le plus important, dans des atomes relativement lourds, des atomes avec un plus grand nombre de protons et de neutrons. Des exemples sont les métaux césium (55 protons) et baryum (56 protons).

Mais même en utilisant des atomes lourds, l'effet était encore si faible qu'une seule équipe dans les années 1990 était capable de voir le moindre signal.

Les Hollandais, Les chercheurs et collaborateurs de TRIUMF et du NIST ont décidé d'adopter une approche différente. Et s'ils cherchaient plutôt l'effet dans des atomes plus légers ?

Une approche unique

Les atomes lourds ont plus de neutrons, protons et électrons, et cela rend difficile le calcul de leur comportement. En regardant plus léger, atomes plus simples, les scientifiques peuvent modéliser le système avec une plus grande précision. Cela signifie que bien que les chercheurs recherchent un effet plus faible, ils peuvent être plus certains quand ils le voient que c'est inattendu.

Pour faire leurs calculs, les chercheurs se sont concentrés sur des molécules à trois atomes formées à partir de combinaisons d'éléments relativement légers, le béryllium (4 protons), carbone (6 protons), azote (7 protons), et le magnésium (12 protons). Pour l'expérience physique proposée, les scientifiques manipuleront ces molécules à l'aide d'une conception de fontaine.

Les physiciens travaillent avec les fontaines atomiques depuis des décennies. Ils sont une technologie si robuste qu'ils servent de norme pour le chronométrage dans le monde entier. Pour faire une fontaine, les chercheurs utilisent des lasers pour refroidir les atomes jusqu'à ce qu'ils s'arrêtent presque de bouger. Ensuite, les scientifiques utilisent des aimants pour projeter les atomes stationnaires vers le haut dans le vide. Quand ils atteignent le sommet de leur arc, la gravité les tire vers le bas.

Pendant qu'ils sont manipulés de cette manière contrôlée, les atomes sont sondés par un autre laser qui les rend fluorescents. Effectivement, les scientifiques peuvent dire dans quel état quantique se trouvent les composants des molécules en fonction de la couleur de la lumière qu'ils dégagent lorsqu'ils sont sondés.

L'étude proposée sera similaire, sauf qu'au lieu d'atomes simples, la fontaine manipulera des molécules à trois atomes.

La réalisation de l'expérience elle-même sera compliquée—très compliquée, Norrgard a dit, car piéger des molécules à trois atomes est encore bien au-delà de l'état de l'art. Toujours, les chercheurs sont prêts à faire face à la complication supplémentaire, car le signal NSD-PV dans les molécules devrait être environ un billion de fois plus grand que dans les atomes individuels.

"En ce moment au NIST, nous travaillons pour refroidir et piéger des molécules diatomiques à deux atomes chimiquement similaires, ce qui est encore très dur !" dit Norrgard. "Mais les techniques, l'équipement et l'expérience nécessaires pour piéger les molécules diatomiques nous aideront à savoir comment piéger les grosses molécules et nous permettront d'effectuer la mesure, ", ce qui pourrait rapprocher les scientifiques de la détermination de l'existence des bosons Z'.