Photons sombres et forces sombres, mais qu’est-ce que tout ca ?

As a starter, best wishes to everyone for 2018! How to better start the year than with physics? And physics in French, for a change (I will write in English later this week, no worries).

This article is the French adaptation of an earlier post of mine where I introduced the concept of dark forces. The English version can be found here.

_{[image credits: NASA]}

Dans mon article précédent en français, j’ai discuté de l’expérience FASER (voir ici) et introduit le concept d’électromagnétisme sombre (la plus simple des forces sombres possibles) et de photons sombres (le médiateur de l’électromagnétisme sombre).

Il est temps à présent de donner plus de détails à ce sujet et surtout, sur comment il est possible de sonder le monde sombre à l’aide de signes visibles.

UN PEU DE MATIERE SOMBRE (OU NOIRE) POUR DEMARRER

Si l’on fait l’hypothèse de la cosmologie standard (qui est en accord avec toutes les données expérimentales actuelles), la matière est principalement composée de matière sombre, parfois aussi appelée matière noire.

Cela consiste en quelque chose qui interagit gravitationnellement (comme la matière usuelle, d’où le mot matière dans matière sombre) mais non électromagnétiquement. Par conséquent, la matière sombre est invisible (ou sombre), l’expression sombre trouvant son origine dans le fait que l’électromagnétisme est lié à la lumière.

_{[image credits: APOD @ NASA]}

La matière noire est un concept très fortement motivé vu que cela permet d’expliquer de nombreuses observations cosmologiques. Il faut garder à l’esprit que des alternatives non autant motivées mais non exclues existent cependant.

Mais comment englober la matière noire en physique des particules? Comme le plus simple est le mieux, on divise en général la théorie en deux secteurs.

Nous avons ainsi un secteur visible, qui contient ce que nous connaissons (le Modèle Standard), et un secteur caché, ou sombre. Dans le cas le plus minimal possible, ce secteur caché ne contient qu’un seul type de particules, une particule de matière sombre.

Pour information, la notion de ‘secteur’ est juste une façon de classer les particules de la théorie.

Mais ajouter des particules ne suffit pas, il faut aussi définir la façon dont elles interagissent.

FORCES ET ELECTROMAGNETISME SOMBRES

Suivant notre principe de minimalité, la matière noire ne peut interagir via aucune des trois interactions du Modèle Standard (l’électromagnétisme, les interactions faibles et fortes). Cela impliquerait soit une particule de matière sombre non sombre, soit un modèle non-minimal et plus compliqué.

_{[image credits: Pixabay]}

On veut rester le plus simple possible ici. Si le secteur sombre ne contient que la matière noire, aucune des interactions du Modèle Standard ne convient.

Du coup, nous devons introduire un nouveau type d’interaction. C’est ce que l’on appelle en général les forces sombres, dont l’exemple le plus simple est une copie sombre de l'électromagnétisme.

Afin d’expliquer comment l’électromagnétisme sombre fonctionne, il est bon de rappeler comment l’électromagnétisme usuel est implémenté au niveau des particules élémentaires.

Prenons comme exemple un électron et un positron.

_{[image credits: fait maison]}

Sur la figure de droite (en haut), nous avons illustré l’interaction électromagnétique d’un électron (e^-) et d’un positron (e⁺). On dit qu’ils interagissent électromagnétiquement par l’échange d’un photon (𝛄).

La force de cette interaction (le gros point orange) est proportionnelle à la charge électrique de l’électron et du positron.

De façon similaire, nous illustrons (figure du bas) l’interaction électromagnétique sombre entre deux particules sombres (DM). Nous la modélisons ici par l’échange d’un photon sombre (X).

La force de l’interaction (le gros point bleu) est proportionnelle aux charges sombres des particules de matière sombre, qui sont arbitraires et qui devront être fixées expérimentalement en cas de découverte.

Mais jusqu’à présent, nos deux secteurs ne se parlent pas et il n’y a pas moyen de produire des particules sombres à partir du Modèle Standard. De façon similaire, les particules sombres ne peuvent pas de désintégrer en particules du Modèle Standard et ne sont donc pas détectables.

UN BON MELANGE DE PHOTONS (SOMBRES ET USUELS)

Heureusement pour nous, notre histoire ne s’arrête pas ici. Lorsque l’on construit une théorie en physique des particules, l’on se base sur des symétries. La règle d’or est la suivante : tout ce qui est permis par les symétries doit être là.

Et nos symétries permettent le mélange des photons usuels et sombres. Ils vont donc se mélanger.

_{[image credits: homemade]}

Mais qu’est-ce que cela veut-il dire ? Au lieu d’avoir deux particules 𝛄 and X, nous avons en fait deux particules 𝛄₁ et 𝛄₂ qui contiennent toutes deux un morceau de photon et un morceau de photon sombre.

Cela est illustré à gauche avec nos deux particules 𝛄₁ et 𝛄₂. Leur composante photon est représentée en orange et leur composante photon sombre en vert.

Nos deux particules ayant une composante photonique, les deux particules vont donc interagir électromagnétiquement. La quantité de photon dans chacun d’elle sera bien entendu inférieure à 100%, de sorte que les interactions électromagnétiques seront d’intensité réduite.

De façon identique, nos deux particules ont une composante sombre. Elles vont donc toutes les deux interagir avec la matière noire, mais avec une intensité réduite vu qu’aucune des deux particules n’est un photon sombre à 100%.

DISCUSSION SUPPLEMENTAIRE ET REFERENCES

J’ai essayé de montrer qu’étendre le Modèle Standard de la physique des particules avec l’électromagnétisme sombre n’est pas très compliqué. Une propriété importante est que les particules médiatrices de l’électromagnétisme et de l’électromagnétisme sombre vont se mélanger.

Cependant, l’électromagnétisme est parfaitement connu et les données sont totalement en accord avec les prédictions théoriques. Il n’y a aucun observation de noirceur la dedans…

Par conséquent, le mélange des photons usuel et sombre est contraint à être bien en-dessous du niveau du pour-mille. En d’autres termes, 𝛄₁ est quasi égal à un photon, et 𝛄₂ est quasi égal à un photon sombre. Et donc on appelle 𝛄₁ un photon et 𝛄₂ un photon sombre, par abus de langage.

Cependant, même si ce mélange est minuscule, il suffit à permettre la production de photons sombres à partir de particules (visibles) du Modèle Standard.

Ce phénomène est super rare (car le mélange est minuscule). Mais si on prend une machine comme le LHC au CERN, nous avons tellement d’interactions à la seconde qu’une fois de temps en temps, un photon sombre peut être produit.

De façon inverse, de temps en temps les photons sombres se désintègreront en particules visibles et pourront être observés.

Voici la machinerie expliquant comment les physiciens recherchent l’électromagnétisme sombre dans les diverses expériences associées.

Ce post trouve son origine dans ma tête, mais pour plus d’informations, je recommende la lecture de cet article.

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