L’Espoir du « Miracle MAUVIETTE » Pour La Matière Noire Est Mort

recherchez des mauviettes qui peuvent reculer avec des noyaux atomiques. La collaboration LZ fournira les meilleures limites sur les sections transversales WIMP-nucléon de toutes, mais les scénarios les mieux 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) / SLAC National Accelerator Laboratory

La matière noire n’est pas seulement la forme de matière la plus abondante de l’Univers, elle 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 une des forces quantiques connues, la matière noire semble interagir uniquement par gravité.

Selon beaucoup, il vaudrait mieux 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 les forces nucléaires électromagnétiques, fortes ou faibles. Le candidat à la matière noire le plus recherché est la MAUVIETTE: la Particule Massive Interagissant Faiblement. Le grand espoir était un miracle de MAUVIETTE, 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 mauviettes que nous espérions.

sondez 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 de la matière noire / nucléons. Cependant, il existe de nombreuses contributions de fond banales qui pourraient donner un résultat similaire. Ce signal particulier apparaîtra dans les détecteurs de germanium, de XÉNON liquide et d’ARGON liquide. Vue d’ensemble de la Matière noire: Collisionneur, Recherches 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 de la matière normale que nous connaissons. La matière normale, dans ce cas, est considérée comme l’une des particules connues dans le Modèle standard. Il comprend tout ce qui est fabriqué à partir de quarks, de leptons ou des bosons connus, et comprend des objets exotiques tels que des étoiles à neutrons, des trous noirs et de l’antimatière. Toute la matière normale de l’Univers a été quantifiée par diverses méthodes, et elle ne totalise qu’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 d’astrophysique de l’espace, mais nous ne l’avons jamais détecté directement, dans un laboratoire ici sur Terre. Ce n’est pas, attention, faute d’essayer.

détecteur installé à l’intérieur du grand écran 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 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 fait de quarks, de leptons ou de bosons connus, nous pouvons quantifier les forces par 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, les taux de désintégration et les produits, les amplitudes de diffusion et d’autres propriétés que nous sommes capables de mesurer en physique expérimentale des particules.

En 2019, nous avons rencontré un énorme succès sur les 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 les installations souterraines isolées ont ouvert la voie.

ont maintenant tous été détectés directement, la dernière retenue, le boson de Higgs, étant tombée 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 pleinement. 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 en théorie quantique des champs, 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 frein, tombant en 1995.

Chaque lepton et antilepton a été vu par les détecteurs, le neutrino tau (et son homologue antimatière, l’antineutrino tau) complétant le secteur des leptons au début et au milieu des années 2000.

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

boson a été annoncé 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 en matière de masse. La valeur de sa masse à 125 GeV / c^ 2 est déroutante pour les physiciens, mais pas aussi déconcertante que le puzzle de la matière noire. La collaboration CMS,  » Observation de la désintégration diphotonique du boson de Higgs et mesure de ses propriétés », (2014)

Nous comprenons comment se comportent les particules du modèle standard. Nous avons des prédictions solides sur la façon 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 façon dont ils sont autorisés à interagir de manière au-delà du modèle standard. En raison de nos contraintes d’accélérateurs, de rayons cosmiques, d’expériences de désintégration, de 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 proposées incluent un grand nombre de candidats à la matière noire, mais aucune n’a recueilli de soutien expérimental.

couple à la matière noire ou non. La gravité est une certitude; tous les autres ne le sont pas ou sont fortement contraints quant au niveau d’interaction. Institut Périmètre

Le candidat à la matière noire le plus recherché est la MAUVIETTE : la Particule massive Interagissant faiblement. Dans les premiers jours — c’est-à-dire, dans les années 1970 — il a été réalisé 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 symétrie) qui les empêchait de se désintégrer.

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

• Lorsque l’Univers était chaud et dense au début, toutes les particules (et antiparticules) qui pouvaient être créées ont été créées en grande abondance, y compris toutes les particules supplémentaires, au-delà du Modèle standard.
• Lorsque l’Univers s’est refroidi, ces particules se sont désintégrées en particules progressivement plus légères et plus stables.
• Et si le plus léger était stable (à cause 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.

abondance de matière noire (axe y), vous devez que la matière noire ait les bonnes sections d’interaction avec la matière normale (à gauche) et les bonnes propriétés d’auto-annihilation (à droite). Les expériences de détection directe excluent maintenant ces valeurs, rendues nécessaires par Planck (vert), défavorisant la matière noire MAUVIETTE interagissant avec une force faible. P.S. Bhupal Dev, Anupam Mazumdar, & Saleh Qutub, Front.in Phys. 2 (2014) 26

C’est de là que vient l’idée de la matière noire MAUVIETTE. Ces nouvelles particules n’auraient pas pu interagir grâce à 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 signifiait l’interaction faible, en raison d’une coïncidence spectaculaire (apparaissant dans la supersymétrie) connue sous le nom de miracle de WIMP.

Si vous mettez dans 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 d’une masse donnée pour la constituer. L’échelle de masse d’intérêt pour la supersymétrie — ou toute théorie apparaissant à l’échelle électrofaible — est de l’ordre de 100 GeV à 1 TeV, nous pouvons donc calculer ce que doit être la section transversale d’auto-annihilation pour obtenir la bonne abondance de matière noire.

Cette valeur (de la section multipliée par la vitesse) s’avère être d’environ 3 × 10-26 cm3 / s, ce qui correspond à ce à quoi vous vous attendez si de telles particules interagissaient par la force électrofaible.

toute 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, elle interagira, à un certain niveau, avec les particules du modèle standard connu, et aura donc une section transversale avec le proton et le neutron. de Carvalho, Vanuildo S. et coll. Nucl.Phys. B875 (2013) 738-756

Bien sûr, si de nouvelles particules interagissent par la force électrofaible, elles se coupleraient 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 et 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 normales connues. Les 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 d’élan du signal que vous recherchez et que vous concevez intelligemment votre expérience, vous pouvez quantifier votre arrière-plan et extraire tout signal potentiel de matière noire qui pourrait s’y trouver.

la collaboration LUX, qui a effectivement exclu le dernier espace de paramètres de l’ère 2000 pour les mauviettes interagissant à travers la force faible représentant 100% de la matière noire. Notez, dans les zones légèrement ombrées en arrière-plan, comment les théoriciens font de nouvelles prédictions « révisées » aux sections inférieures et inférieures. Il n’y a pas de bonne motivation physique pour le faire. Collaboration LUX, Phys. Rév. Lett. 118, 251302 (2017)

Ces expériences sont en cours depuis des décennies et n’ont pas vu de matière noire. Les contraintes modernes les plus strictes viennent du LUX (ci-dessus) et du 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 permis d’atteindre des limites de section en fonction du spin inférieures à 1,0-1,6 × 10-41 cm2 pour les protons et les neutrons et ceux indépendants du spin inférieurs à 1,0 × 10-46 cm2: assez bas pour exclure tous les modèles de matière noire de SUSY proposés par 2001. Une contrainte plus sensible vient maintenant du XÉNON: la contrainte neutronique dépendante du spin est de 6 × 10-42 cm2, tandis que les sections transversales indépendantes du spin sont inférieures à 4,1 × 10-47 cm2, serrant davantage les vis.

obtient maintenant ses limites les plus strictes de l’expérience XENON1T, qui s’est améliorée par rapport à toutes les expériences précédentes, y compris LUX. Alors que les théoriciens et les phénoménologues continueront sans doute à produire de nouvelles prédictions avec des sections de plus en plus petites, l’idée d’un miracle MAUVIETTE a perdu toute motivation raisonnable avec les résultats expérimentaux que nous avons déjà en main. E. Aprile et coll., Phys. Rév. Lett. 121, 111302 (2018)

C’est 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 grâce aux interactions faibles sont exclus par ces expériences. S’il y a de la matière noire MAUVIETTE, elle doit être plus faible que ce que l’interaction faible permet de 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 anticipée de bas en bas comme résultat nul après le résultat nul. C’est le pire genre de science que vous puissiez faire, cependant: le simple déplacement des poteaux de but sans raison physique autre que vos contraintes expérimentales est devenu plus sévère. Il n’y a plus aucune motivation, si ce n’est de préférer une conclusion que les données excluent, ce faisant.

signatures recherchées par les physiciens au LHC, 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 à l’appui de leur existence. Expérience CERN/ATLAS

Mais la réalisation de ces expériences de détection directe reste extrêmement précieuse. 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 non-maussade de matière noire. De nombreux autres scénarios intéressants n’ont pas besoin d’un miracle de MAUVIETTE.

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

De plus, les candidats à la matière noire qui sont produits par un mécanisme différent à des plages 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.

cherchant à exploiter une interaction hypothétique pour un candidat de matière noire non MAUVIETTE : l’axion. Les axions, s’ils sont la matière noire, pourraient se convertir en photons par l’interaction électromagnétique, et la cavité illustrée ici est conçue pour tester cette possibilité. Cependant, si la matière noire n’a pas les propriétés spécifiques pour lesquelles les expériences actuelles testent, aucun des détecteurs que nous avons construits ne le trouvera directement. Axion Dark Matter Experiment (ADMX) / flickr de LLNL

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 à des miracles, cependant, tout résultat positif semble maintenant de plus en plus improbable. 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 la lumière lui permettant de regarder brille.

Le miracle de la MAUVIETTE peut être mort et disparu, car les particules interagissant par la force faible à l’échelle électrofaible ont été désavantagées par les collisionneurs et la détection directe. L’idée de la matière noire MAUVIETTE, cependant, perdure. Nous devons juste nous rappeler que lorsque vous entendez WIMP, nous incluons de la matière noire qui est plus faible et plus mauviette 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 de la MAUVIETTE 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.

Suivez-moi sur Twitter. Consultez mon site Web ou certains de mes autres travaux ici.