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Particules massives qui interagissent faiblement

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Cet article concerne la classe hypothétique des particules.
"WIMPs" redirige ici.

En astrophysique, particules massives en interaction faible, ou WIMPs, sont des particules hypothétiques servant de solution possible au problème de la matière noire. Ils sont considérés comme l'un des principaux candidats à la «matière noire froide».

Ces particules interagissent par le biais de la force nucléaire et de la gravité faibles, et éventuellement par d'autres interactions non plus fortes que la force faible. Parce qu'ils n'interagissent pas avec l'électromagnétisme, ils ne peuvent pas être vus directement, et parce qu'ils n'interagissent pas à travers la force nucléaire forte, ils ne réagissent pas fortement avec les noyaux atomiques. Cette combinaison de propriétés confère aux WIMP de nombreuses propriétés des neutrinos, à l'exception d'être beaucoup plus massives et donc plus lentes.

Arguments théoriques

Bien que l'existence de WIMP dans la nature soit hypothétique à ce stade, elle résoudrait un certain nombre de problèmes astrophysiques et cosmologiques liés à la matière noire. Les principales caractéristiques théoriques des WIMP sont:

  • Ils n'interagissent que par la force nucléaire et la gravité faibles, ou du moins avec des sections efficaces d'interaction non supérieures à l'échelle faible.
  • Ils ont une masse importante par rapport aux particules standard. (Les WIMP avec des masses inférieures à GeV peuvent être appelés matière sombre et claire.)

En raison de leur manque d'interaction avec la matière normale, ils seraient sombres et invisibles à travers des observations électromagnétiques normales. En raison de leur grande masse, ils seraient relativement lents et donc froids. En conséquence, ils auraient tendance à rester grumeleux. Les simulations d'un univers plein de matière noire froide produisent des distributions de galaxies qui sont à peu près similaires à ce qui est observé. Les WIMP sont considérés comme l'un des principaux candidats pour la «matière noire froide», l'autre étant des objets halo compacts astrophysiques massifs (MACHO). (Ces noms ont été délibérément choisis pour le contraste, les MACHO étant nommés plus tard que les WIMP).

En outre, contrairement aux MACHO, il n'y a pas de particules connues dans le modèle standard de physique des particules qui ont toutes les propriétés des WIMP. Les particules qui ont peu d'interaction avec la matière normale, telles que les neutrinos, sont toutes très légères et seraient donc en mouvement rapide ou chaudes. La matière noire chaude tacherait la structure à grande échelle des galaxies et n'est donc pas considérée comme un modèle cosmologique viable. Les particules de type WIMP sont prédites par la supersymétrie conservant la parité R, un type d'extension populaire au modèle standard, bien qu'aucune des nombreuses nouvelles particules en supersymétrie n'ait été observée.

Détection expérimentale

Étant donné que les WIMP peuvent interagir uniquement par le biais de forces gravitationnelles et faibles, ils sont extrêmement difficiles à détecter. Cependant, de nombreuses expériences sont actuellement en cours pour tenter de détecter les WIMP à la fois directement et indirectement. Bien que les taux de diffusion prévus pour les WIMP à partir des noyaux soient significatifs pour les grandes masses cibles des détecteurs, il a été prédit que les halos WIMP pourraient, lorsqu'ils traversent le Soleil, interagir avec les protons solaires et les noyaux d'hélium. Une telle interaction ferait perdre une énergie à un WIMP et serait "capturé" par le Soleil. Alors que de plus en plus de WIMP sont thermalisés à l'intérieur du Soleil, ils commencent à s'annihiler les uns les autres, formant une variété de particules, y compris des neutrinos de haute énergie.1 Ces neutrinos peuvent ensuite se déplacer vers la Terre pour être détectés dans l'un des nombreux télescopes à neutrinos, comme le détecteur Super-Kamiokande au Japon. Le nombre d'événements neutrinos détectés par jour sur ces détecteurs dépend des propriétés du WIMP, ainsi que de la masse du boson de Higgs. Des expériences similaires sont en cours pour détecter les neutrinos des annihilations WIMP dans la Terre2 et de l'intérieur du centre galactique.34

Il est important de noter que, alors que la plupart des modèles WIMP indiquent qu'un nombre suffisamment important de WIMP seraient capturés dans de grands corps célestes pour que ces expériences réussissent, il reste possible que ces modèles soient incorrects ou n'expliquent qu'une partie du phénomène de la matière noire . Ainsi, même avec les multiples expériences dédiées à fournir indirect des preuves de l'existence de «matière noire froide» direct des mesures de détection sont également nécessaires pour solidifier la théorie des WIMP.

Bien que la plupart des WIMP rencontrant le Soleil ou la Terre devraient passer sans aucun effet, il est à espérer qu'un grand nombre de WIMP de matière noire traversant un détecteur suffisamment grand interagiront assez souvent pour être vus - au moins quelques événements par an. La stratégie générale des tentatives actuelles de détection des WIMP consiste à trouver des systèmes très sensibles pouvant être étendus à de gros volumes. Cela fait suite aux enseignements tirés de l'histoire de la découverte et (maintenant) de la détection de routine du neutrino.

Espace de paramètres CDMS exclu à partir de 2004. Le résultat DAMA est situé dans la zone verte et n'est pas autorisé.

Une technique utilisée par le détecteur Cryogenic Dark Matter Search (CDMS) de la mine Soudan repose sur de multiples cristaux de germanium et de silicium très froids. Les cristaux (chacun de la taille d'une rondelle de hockey) sont refroidis à environ 50 millikelvins. Une couche de métal (aluminium et tungstène) à la surface est utilisée pour détecter un WIMP passant à travers le cristal. Cette conception espère détecter les vibrations dans la matrice cristalline générées par un atome "lancé" par un WIMP. Les capteurs métalliques en tungstène sont maintenus à la température critique de sorte qu'ils sont à l'état supraconducteur. Les grandes vibrations cristallines génèrent de la chaleur dans le métal et sont détectables en raison d'un changement de résistance.

La collaboration DRIFT (Directional Recoil Identification From Tracks) tente d'utiliser la directivité prédite du signal WIMP afin de prouver l'existence de WIMP. Les détecteurs DRIFT utilisent un mètre3 volume de gaz disulfure de carbone à basse pression comme matériau cible. L'utilisation d'un gaz à basse pression signifie qu'un WIMP entrant en collision avec un atome dans la cible le fera reculer de plusieurs millimètres, laissant une trace de particules chargées dans le gaz. Cette piste chargée est dérivée vers un plan de lecture MWPC qui permet de la reconstruire en trois dimensions, qui peuvent ensuite être utilisées pour déterminer la direction d'où provient le WIMP.

Une autre façon de détecter des atomes "renversés" par un WIMP est d'utiliser un matériau scintillant, de sorte que des impulsions lumineuses soient générées par l'atome en mouvement. L'expérience DEAP prévoit d'instrumenter une très grande masse cible d'argon liquide pour une recherche WIMP sensible chez SNOLAB.

Un autre exemple de cette technique est le détecteur DAMA / NaI en Italie. Il utilise plusieurs matériaux pour identifier les faux signaux provenant d'autres processus de création de lumière. Cette expérience a observé un changement annuel du taux de signaux dans le détecteur. Cette modulation annuelle est l'une des signatures prédites d'un signal WIMP,56 et sur cette base, la collaboration DAMA a revendiqué une détection positive. Cependant, d'autres groupes n'ont pas confirmé ce résultat. On s'attendrait à ce que les expériences CDMS et EDELWEISS observent un nombre important de diffuseurs de noyaux WIMP si le signal DAMA était en fait provoqué par des WIMP. Étant donné que les autres expériences ne voient pas ces événements, l'interprétation du résultat DAMA comme une détection WIMP peut être exclue pour la plupart des modèles WIMP. Il est possible de concevoir des modèles qui réconcilient un résultat DAMA positif avec les autres résultats négatifs, mais à mesure que la sensibilité des autres expériences s'améliore, cela devient plus difficile. Les données du CDMS, prises dans la mine Soudan et rendues publiques en mai 2004, excluent toute la région du signal DAMA, compte tenu de certaines hypothèses standard sur les propriétés des WIMP et du halo de matière noire.

Voir également

  • Matière noire
  • Interaction fondamentale
  • MACHO
  • Matière
  • Neutrino

Remarques

  1. ↑ Ferrer, F., L. Krauss et S. Profumo. 2006. Détection indirecte de la matière neutre neutrino claire dans le NMSSM. Phys.Rev. D74: 115007. Récupéré le 15 janvier 2009.
  2. ↑ Freese, K. 1986. Les neutrinos scalaires ou les neutrinos massifs de Dirac peuvent-ils être la masse manquante?. Phys.Lett. B167: 295. Récupéré le 15 janvier 2009.
  3. ↑ Carr, J., G. Lamanna et J. Lavalle. 2006. Détection indirecte de la matière noire. Prog. Rép. Phys. 69:2475-2512.
  4. ↑ Fornengo, N. 2008. État et perspectives des recherches indirectes et directes de matière noire. 36ème Assemblée scientifique du COSPAR, Pékin, Chine, 16-23 juillet 2006. Adv. Space Res. 41: 2010-2018. Récupéré le 15 janvier 2009.
  5. ↑ Drukier, A., K. Freese et D. Spergel. 1986. Détection des candidats à la matière noire froide. Phys.Rev. D33: 3495-3508.
  6. ↑ Freese, K., J. Frieman et A. Gould. 1988. Modulation du signal dans la détection de la matière froide et sombre. Phys. Tour. D37: 3388. Récupéré le 15 janvier 2009.

Les références

  • Freeman, Ken et Geoff McNamara. 2006. À la recherche de la matière noire. Livres Springer-Praxis en astronomie populaire. Berlin: Springer. ISBN 978-0387276168
  • Nicolson, Iain. 2007. Côté obscur de l'univers: matière noire, énergie noire et sort du cosmos. Baltimore, MD: Presse universitaire de Johns Hopkins. ISBN 978-0801885921
  • Seymour, Percy. 2008. Dark Matters: Unifying Matter, Dark Matter, Dark Energy et Universal Grid. Franklin Lakes, NJ: Nouveaux livres de page. ISBN 978-1601630063

Liens externes

Tous les liens ont été récupérés le 10 août 2013.

  • Eidelman, S. et al. (Groupe de données sur les particules). 2004. WIMPs et autres recherches de particules. Phys. Lett. B 592: 1.
  • Sumner, Timothy J. 2002. Recherches expérimentales de matière noire. Revues de vie dans la relativité.
  • Recherche cryogénique de matière noire.
  • Expérience COUPP - E961.
  • CRESST - Une expérience à la recherche de matière noire.
  • Le projet DAMA.
  • DEAP-1.
  • CHAÎNE.
  • Projet XENON Dark Matter.
  • Recherches WIMP ZEPLIN-III.

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