Axions

I. Histoire de la naissance d'une particule.

Kelvin

Axions : il ne s’agit pas de cet impératif ponctuant le démarrage d’un tournage cinématographique (action !) mais du nom dont les chercheurs ont baptisé une famille de particules hypothétiques. La presse scientifique en parle beaucoup en ce moment ; d’où vient donc un tel engouement ?

Probablement des grands espoirs qui reposent sur les épaules de ces fantômes. Ils semblent à même de résoudre deux énigmes d’un coup : combler une lacune du modèle cosmologique standard et livrer enfin la nature de la matière sombre.

L’idée intuitive selon laquelle il existerait des corps massifs ne rayonnant pas remonterait pour certains à Lord Kelvin (alias William Thomson ; 1884) qui parlait alors de corps sombres. Il n’est cependant pas certain que ses mots aient décrit le même phénomène que celui dont parle aujourd’hui l’actualité.Le rayonnement des corps noirs était à son époque un sujet majeur de préoccupation et le motif à de nombreuses investigations. L’un des plus célèbres essais reste la loi de Wien+.

Wien
Planck

Toutes ces explorations trouveront un aboutissement avec les travaux de M. Planck.

Certains pensent d’ailleurs que le qualificatif « sombre » est totalement inapproprié et qu’il devrait être remplacé par l’adjectif « invisible ». Un argument en faveur de cette modification linguistique tient au fait que la matière dont se préoccupe les équipes n’a aucune interaction dans le registre électromagnétique.

La détection de cette mystérieuse substance remonte aux travaux de Véra Rubin+ (1928 – 2016) et Kent Ford mesurant la vitesse de rotation de groupes d’étoiles autour de leur centre galactique. Les données obtenues démontrent l’existence d’une entité inconnue ayant une influence gravitationnelle sur les étoiles et se situant majoritairement dans la partie externe de la zone visible des galaxies observées.

Aujourd’hui, les relevés astronomiques prouvent l’existence de la matière invisible dans le fond cosmique diffus et invitent à penser qu’elle trouve son origine à une époque précédant la formation des galaxies.

Simultanément, une série d’expérimentations aux espoirs déçus (LHC, LUX, XENON1T) ont fini de convaincre la communauté du fait qu’il n’existe pas de particule connue au sein du modèle standard actuel ayant les propriétés physiques ad hoc permettant une identification avec cette mystérieuse substance.

Ainsi, que ce soit au niveau des recherches en cosmologie ou de celle dans le domaine des particules élémentaires, nous vivons une époque fantastique dans laquelle les données expérimentales appellent de nouveaux modèles théoriques ou, au minimum, des modifications pertinentes de ceux-ci.

La comptabilité énergétique (toute la machinerie lagrangienne et les lois de préservation des énergies) plaide pour l’existence d’une substance énergétique nouvelle expliquant certaines ruptures de symétries ; un peu à l’instar de ce qui s’était passé dans les années 70 lorsque la rupture CP dans la désintégration des kaons avait conduit à la prédiction de nouveaux quarks (découverts en 1995).

 

nota bene : illustrations photographiques issues de la collection Bordas 1972.

 

La prédiction théorique.

La naissance formelle et théorique des axions+ résulte d’un processus similaire. Pour expliquer l’absence de moment électrique dipolaire du neutron (non observable autrefois) et la violation CP+, Peccei et Quinn ont mis au point en 1977 un protocole théorique ; celui-ci induit automatiquement l’existence de nouvelles particules : les axions (prédits par F. Wilczek+ – début des années 80). Ce sont des bosons scalaires (pas de moment angulaire mécanique).

Si donc de nouvelles expérimentations parvenaient à mettre en évidence des moments électriques dipolaires au sein du neutron se neutralisant en permanence, la particule prédite perdrait sa justification (voir la page dédiée à l’expérience GBAR).

Entre-temps, puisque ces mystérieuses particules seraient des bosons, certaines équipes ont envisagé l’idée selon laquelle elles seraient les représentants de la matière sombre invisible et étudier leur aptitude à condenser. Des recherches récentes (2014 - MIT) dans le domaine des condensats de Bose-Einstein montrent malencontreusement que de tels condensats dépasseraient difficilement la taille d’un astéroïde ; ce qui élimine l’idée -au départ séduisante- selon laquelle nous vivrions dans un condensat de Bose à taille cosmique.

L’état actuel de la recherche en la matière.

A grands renforts de simulations informatiques, les recherches actuelles étendent les caractéristiques théoriques des particules découlant des travaux de Peccei, Quinn et Wilczek (axions au sein de la chromodynamique quantique). Misant sur le principe que plus leur énergie est faible, plus la taille des condensats induits a de chance d’atteindre celle d’un halo de galaxies, elles espèrent découvrir le secteur énergétique qui collera avec les observations.

Un peu en désespoir de cause, elles testent également l’hypothèse plus rassurante selon laquelle les axions auraient tout de même quelques interactions avec la lumière.

Il semblerait cependant que notre ignorance et nos insuccès répétés entrainent les recherches sur le sujet dans un chaos informel. Toutes les écoles (théorie de supersymétrie, théorie des cordes, etc.) se découvrent une liste de candidats qui potentiellement feraient -semble-t-il- l’affaire… mais aucune ne parvient à en mettre un en évidence … .

II. Les réflexions de la théorie des produits tensoriels déformés.

Un lien avec la notion d’invisibilité ?

Pour ma part, il me semble de plus en plus nécessaire d’approfondir la notion d’invisibilité. La tradition relie cette caractéristique à l’optique. J’ai tendance à l’associer avec la géométrie ; voir au point 9.b de la table des matières mon essai sur la thématique de la mesure des écarts en mathématique.

Si un média énergétique (porteur d’énergie) peut influencer le mouvement de galaxies sans présenter d’interférences dans le domaine électromagnétique, c’est qu’il est a priori de nature gravitationnelle. Comme il n’obéit pas à la loi de Newton, c’est qu’il appartient à la catégorie plus générale des champs d’accélération auxquels le principe d’équivalence énoncé par la théorie de la relativité générale donne la propriété de se manifester de manière similaire à un champ de gravitation.

La poupe du navire progressant dans l’océan déplace suffisamment d’eau devant elle pour créer un renflement de la surface de l’eau qui, si le bateau était invisible à nos yeux, en trahirait cependant la naissance. Il se passe peut-être quelque chose de similaire à la périphérie d’un amas de galaxies.

Comme les étoiles semblent en l’occurrence se comporter en victimes des perturbations et non pas comme la cause de celles-ci, c’est que le moteur se trouve en dehors d’elles. Elles ne sont pas à l’origine du phénomène ; elles le subissent.

Se pose alors la question de ce qui pourrait être la cause des perturbations observées.

Un scénario inversé.

Le problème de la courbe des rotations des étoiles dans une galaxie est abordé en disant que les étoiles périphériques tournent trop vite par rapport à ce que la loi de Newton permet de prévoir. L’observation de cette courbe laisse une autre impression ; à savoir : si la courbe des vitesses représentait en fait les variations d’un potentiel U(r), le centre de la galaxie correspondrait à un puit de ce potentiel et ce potentiel aurait la propriété de devenir constant au-dessus d’un certain éloignement : r > r0 Þ U(r) = cte.

Or, loin du centre de la galaxie, il y a moins d’étoiles et plus ces zones gigantesques où il n’y a pas de matière dominent le paysage cosmique. La courbe semble donner l’indication que les zones sans matière sont celles où le potentiel est constant. L’absence de matière étant l’état le plus fréquent dans lequel se trouve les régions de l’univers, les raisonnements habituels de la thermodynamique poussent à penser que la vitesse de rotation soi-disant accrue des étoiles externes n’est pas une anomalie mais au contraire que la présence de matière réduit cette vitesse. L’augmentation de la densité volumique de matière à l’approche du centre galactique freine les étoiles.

Autrement dit, il s’agit peut-être d’un colossal mouvement visqueux en spirale de la périphérie vers le centre dans lequel l’accumulation de matière ralentirait celle-ci à l’approche du centre.

Une poussée d’Archimède géométrique universelle ?

Interpréter les observations à l’envers ne fournit pas pour autant leur cause. Par ailleurs, cette interprétation en gant inversé reste contre-intuitive ; pourquoi ?

Une fois encore, une image peut venir à notre renfort, sachant qu’un exemple ne rend jamais parfaitement compte des réalités.

En agitant l’eau contenue dans une bassine, l’ensemble de la masse aquatique finit par se mettre en mouvement ; même les zones périphériques. Mais dans ce cas, le mouvement met du temps à atteindre la périphérie et elle tourne plus lentement que le centre.

Comme la réalité indique le contraire il faut sans doute commencer à imaginer que le centre galactique n’est pas un aspirateur de matière mais un puissant éjecteur ; les étoiles éjectées fuient dans un premier temps à une vitesse croissante … jusqu’à ce qu’un phénomène encore inconnu de dissipation énergétique lié à leur excursion cosmique les freine pour atteindre une vitesse d’équilibre caractérisant cette interaction.

Autrement dit, la pénétration de la matière dans les espaces vides donne naissance à une curieuse interaction qui ralentit la première. L’interaction doit être de nature gravitationnelle, donc indirectement géométrique sans être newtonienne.

Il existe un autre exemple naturel pouvant aider à visualiser cette intuition : le requin qui ne nage pas dans l’océan descend en chute libre vers le fond. Sa vitesse, au lieu d’augmenter sans cesse finit par se stabiliser à cause de la poussée inverse dite d’Archimède.

Faut-il extrapoler cette image au mouvement des étoiles au sein de la matrice géométrique universelle ?   

© Thierry PERIAT, 23 avril 2021.

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Date de dernière mise à jour : 30/04/2021