NA64 : les photons noirs sous un nouveau jour

Jul 31, 2019

C'est la matière noire qui fait tenir ensemble les galaxies de l'Univers. C'est une quasi-certitude pour les scientifiques. Toutefois, ceux-ci n'ont toujours pas réussi à observer directement la matière noire, ni les particules qui la composent. Ils ont seulement décelé sa présence grâce à la force gravitationnelle exercée par la matière noire sur la matière visible.

Selon une hypothèse, la matière noire serait constituée de particules qui interagissent entre elles et avec la matière visible par l'intermédiaire d'une nouvelle force, véhiculée par une particule : le photon noir. Dans une étude récente, la collaboration à l'origine de l'expérience NA64 au CERN décrit les moyens qu'elle a employés pour tenter de détecter ces photons noirs.

NA64 est une expérience à cible fixe : un faisceau de particules est envoyé sur une cible fixe, le but étant d'observer les particules et les phénomènes engendrés par les collisions entre ces particules et les noyaux atomiques de la cible. Plus précisément, l'expérience utilise un faisceau d'électrons porté à une énergie de 100 GeV, issu du Supersynchrotron à protons. Dans le cadre de cette nouvelle étude, l'équipe de NA64 s'est lancée à la recherche des photons noirs en s'appuyant sur la technique de l'énergie manquante : même si des photons noirs s'échappent du détecteur de NA64 sans être détectés, l'énergie qu'ils transportent pourrait être déterminée par l'analyse de l'énergie totale des collisions.

L'équipe a examiné les données récoltées en 2016, 2017 et 2018, ce qui représente un total impressionnant de cent milliards d'électrons entrant en collision avec la cible. Si aucune trace des photons noirs n'a été trouvée dans les données, l'analyse a toutefois permis de fixer les limites les plus étroites à ce jour sur la force d'interaction entre un photon et un photon noir, pour une masse du photon noir comprise entre 1 MeV et 0,2 GeV.

Selon ces limites, la force d'interaction entre un photon noir de 1 MeV et un électron serait au moins cent mille fois plus faible que la force électromagnétique portée par un photon. Dans le cas d'un photon noir de 0,2 GeV, cette force d'interaction serait au moins mille fois plus faible. La collaboration s'attend à placer des limites encore plus étroites grâce au détecteur amélioré, qui devrait être prêt en 2021.


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