A propos de nuggets noirs pleins de matière noire
This is a French adaptation of this older post on dark nuggets of dark matter. For more information in English, please have a look there ;)
Comme promis à @planetenamek et @roxane, voici un petit article en français. Je sais, ça faisait longtemps mais mon rythme d’écriture a pas mal diminué ces temps-ci. On a le temps qu’on a, n’est-ce pas. Pas une seconde de plus ;)
[image credits: NASA]
Bref, dans cet article, je vais parler de matière noire.
La matière noire consiste en l’une des plus importantes énigmes actuelles de la physique des particules et de la cosmologie. Y a-t-il de la matière noire dans l’univers et si oui, qu’est-ce exactement?.
Dans ce post, je vais parler d’une publication scientifique que j’ai lue il y a 3-4 mois et qui discute des pépites de matière noire (ou ‘nuggets’ en anglais, d’où le titre de ce post un peu attrape-touriste :p).
MATIERE NOIRE… OU PAS
Avant d’entrer dans le vif du sujet, parlons un peu de matière noire en général. Dans le cadre du modèle standard cosmologique, l’énergie présente dans l’univers est répartie en trois composantes: la matière normale (ou visible), la matière noire et l’énergie noire.
Oublions l’énergie noire car ce n’est pas le sujet.
Il se trouve que la plus grosse partie de la matière présente dans l’univers est d’origine inconnue. C’est cela que l’on appelle matière noire (ou parfois matière sombre qui est actuellement un peu plus correct sémantiquement).
[image credits: Wikipedia]
Le nom ‘matière noire’ vient de ses propriétés:
La matière noire interagit de façon gravitationnelle tout comme la matière normale. Pour cette raison, nous avons le mot ‘matière’ dans ‘matière noire’.
La matière noire n’est pas sensible à l’électromagnétisme. Pour cette raison, nous avons le mot ‘noir’ (ou ‘sombre’) dans ‘matière noire’ (ou ‘matière sombre’). L’électromagnétisme est effectivement connecté à la lumière, et le noir/sombre contraste avec la lumière.
Il y a aujourd’hui un grand nombre de preuves indirectes en faveur de la matière noire. la cosmologie standard explique parfaitement des observations comme la formation des grandes structures dans l’univers, les courbes de rotation des galaxies, les lentilles gravitationnelles, le fonds diffus cosmologique, etc.
Au vu de ces motivations, un très grand nombre d’expériences traquent sans relâche la matière sombre afin de pouvoir l’observer directement. Malheureusement, aucun signal n’a été détecté. De même, le LHC au CERN n’a pas réussi à ‘détecter’ (j’expliquerai les guillemets un autre jour) des traces potentielles de matière noire.
Par conséquent, les théories alternatives sans matière noire sont également très populaires aujourd’hui. Ces dernières sont par ailleurs tout autant viable que les modèles avec de la matière noire.
Pour les mêmes raisons, des modèles de matière noire plus complexes (ou même loufoques parfois) sont développés par les physiciens. C’est de l’un d’entre eux que je vais parler ici.
UN PEU DE PHYSIQUE ATOMIQUE
Je me permets une petite parenthèse (utile) avant de continuer…
[image credits: unknown (everywhere)]
Ici à gauche, nous avons une représentation assez standard d’un atome.
L’atome est constitué d’un noyau atomique autour duquel orbitent des électrons.
Au contraire des électrons, le noyau atomique n’est pas élémentaire et possède une sous-structure : il est fait de neutrons et de protons.
Il est intéressant de se pencher sur la raison pour laquelle les noyaux atomiques sont stables.
Les forces électromagnétiques font que les protons ont tendance à se repousser l’un l’autre. Elles agissent donc en vue de briser la structure atomique. Heureusement, les interactions fortes viennent à la rescousse, compensent les effets électromagnétiques et assurent la cohésion de l’ensemble.
Pour résumer, l’action combinée des interactions fortes et électromagnétiques permet d’expliquer quel noyau atomique est stable et quel noyau atomique est instable.
LA NUCLEOSYNTHESE PRIMORDIALE - LE BIG BANG ET LES PREMIERS INSTANTS DE l’UNIVERSE
Revenons un bon moment en arrière, au temps d’un univers extrêmement chaud où protons et neutrons se baladent un peu partout. Des réactions de fusion nucléaire ont alors lieu de façon continue.
[image credits: Martin White]
Neutrons et protons peuvent ainsi se combiner aisément afin de former des noyaux d’hydrogène (ça c’est facile, c’est juste un proton et il n’y a rien à combiner), d’hélium, de deutérium et de lithium (voir la figure à droite).
Mais ensuite, tout se complique…
Il n’existe aucun noyau atomique stable avec 5 (ou 8) neutrons et protons, et il faut faire appel à des mécanismes plus compliqués pour produire des éléments plus lourds que ceux mentionnés ci-dessus.
On ne peut effectivement pas juste ajouter un neutron ou un proton à quelque chose qui existe déjà vu qu’il y a ce trou au niveau des éléments à 5 et 8 protons et neutrons.
Par exemple, le carbone ne pourra être produit que par fusion de trois noyaux d’hélium.
ET NOS NUGGETS OU PEPITES DE MATIERE NOIRE DANS TOUS CA?
Pour revenir à nos pépites de matière noire, il suffit de reproduire tout ce qui a été dit, mais en le rendant plus sombre. Les fans de Star Wars vont m’adorer…
Tout d’abord, imaginons l’existence d’un zoo de particules noires. Nous avons d’un côté les particules standards que nous connaissons, et d’un autre côté un tas de particules noires inconnues qui vivent leur vie.
[image credits: pixabay]
Les interactions des particules sombres ne sont pas les interactions usuelles mais consistent en des forces sombres.
Ces forces sombres peuvent en particulier inclure un équivalent noir de l’électromagnétisme et des interactions fortes.
Et voilà, nous avons tous les ingrédients pour expliquer la formation de noyaux atomiques noirs durant les premiers moments de l’univers!
Ces noyaux noirs sont appelés pépites de matière noire.
Allons plus loin et éliminons à présent l’équivalent noire de l’électromagnétisme. Du coup, des pépites sombres à 5 ou 8 constituents peuvent exister, et l’on obtient une formation possible de pépites de matière noire extrêmement grandes!
DISCUSSION ET REFERENCES
Est-ce que cette histoire de pépites de matière doit être prise au sérieux? Bah en fait, pour le moment: oui. Les théories avec une composante sombre sont assez usuelles en physique des particules.
De plus, à partir de deux particules noires, on arrive à prédire la formation de pépites. La partie sombre de la théorie peut donc être toute simple.
Mais la question importante est la suivante. Les pépites de matière noire sont-elles compatibles avec les observations? Les physiciens planchent là-dessus, et il faut donc falloir attendre un peu. En attendant, les pépites noires ont quelques beaux jours devant elles :)
Plus d’informations peuvent être obtenues dans le cet article récent parlant de ces pépites, où dans cet article où l’idée a été mentionnée pour la première fois.
PS: Aucun nugget de poulet n’a été carbonisé durant l’écriture de cet article.
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Merci pour cet article de qualité c'est très intéressant !
De rien, ca m'a fait plaisir de l'ecrire :)
Waouh c'est vraiment du lourd cette histoire de nugget !! Je pense que mon esprit est trop encombré pour le moment pour comprendre tout ça.
Donc RDV demain matin pour lecture approfondie à tête reposée ;-) !!
Merci pour la traduction et pour toutes ces découvertes et explications, on va devenir de vrais physiciens à force de te côtoyer :-D !!
Merci pour ton message.
N'hesite pas a poser des questions si tu en as. Le post est un peu complique car au final, j'aborde plusieurs sujets (matiere noire, interactions fondamentales, formation de la matiere) et melange le tout en fin d'article.
Count me in on dark chicken nuggets. Mmmmmm.
Dark matter remains an alien concept to me. But after reading your article, I just had a thought that the strong force is actually just as mysterious. I wonder if there have been any attempts to synthesize it outside of the atom, or to manipulate it in any way (other than a nuclear explosion).
Thanks for passing by!
What do you exactly mean by synthesizing the strong force? It is there and this is what makes the matter coherent (particles are glued together and are not wandering all around in the universe thanks to it). If you want an example of experiments in which the strong force is important, you can take any particle physics collider experiments where it consist of the basic key principle.
It's just a crazy idea, I'm sure. But we're somewhat adept at manipulating the electromagnetic force. We build motors, for example, that focus the force and direct it to do things at our will. And we're somewhat adept at manipulating electromagnetic radiation: light, radio, radar, optical fiber, etc.
But I see the strong force as being stuck inside the atom. Sure, we can throw things at an atom. But that gets dull. ;) What if we could build machines that use the strong force, synthesize it from something more fundamental, and direct its power down channels of our creation?
The huge difference between the strong and the electromagnetic force consists of their range. As you said, the strong force has an extremely short range. In contrast, the EM force as an infinite range (although it is mainly screened). This is why we can do things with EM, whilst we can do anything with the strong force without breaking the atoms first.
And that freaks me out a little. How can a force (the strong force) overcome the electromagnetic force binding same charge protons in a nucleus, but its field only extends a short distance? That's weird. It's super powerful, yet super limited. But I have the same trouble understanding gravity, which seems to be a puny little force (it takes so much freaking mass to create it, it's ridiculous). Yet its range seems infinite.
The strong force has a range of a bunch of femtometers. This is the order of magnitude of the atomic nucleus. Therefore, strong interactions are relevant here.
Gravity is the weakest of all forces. On top of that, it is proportional to the masses of the interacting objects, which makes it even weaker. Why it is so weak is a good question. The good answer is probably that we don't know (at least yet :) ).
With the crazy stuff in 11-dimensional string theory, anything is possible. There could be a spatial dimension orthogonal to the ones we know about, but is inaccessible (for some reason) to us mere 3 dimensional beings. Occasionally, we see things popping in and out of our 3D hyperplane that we can't explain (like particles in the Dirac sea?), so why can't forces dissipate out of our hyperplane into surrounding ones? That might explain the weakness of gravity, if it were a force that we are "sharing" with other multidimensions.
Très interessant.
Je ne sais pas si tu as vu cette publication. Je crois qu'elle pourrait t'intéresser.
http://www.nature.com/news/dark-matter-hunt-fails-to-find-the-elusive-particles-1.22970#/b1
En fait il n'y a rien de potentiellement nouveau la derriere. Pour resumer : aucun signe de matiere noire dans les donnees.
Les modeles de matiere noire en prennent du coup pour leur grade. En particulier, l'hypothese du WIMP. Il s'agit d'une des plus populaires. Elle se trouve de plus en plus difficile a defendre au vu des donnees, meme si elle n'est pas encore totalement exclue. Les contraintes sont fortes, mais il existe des configurations de la theorie qui sont toujours permises.
Il faut aussi garder a l'esprit que les WIMPs ne sont qu'une option parmi de tres nombreuses options. Il y a encore enormement de chemin a faire car nombre de ces modeles echappent aux experiences actuelles.
J'aurais cru que la publication de ces données était un peu plus "bleek" pour la matière noire.
Évidemment, peu importe ces expérience doivent continuer si nous voulons repousser les limites et en savoir plus peu importe ce que sera l'explication en bout de ligne.
Pour dire la verite, j'effectue ce genre de choses depuis plusieurs annees dans mon travail de recherche. En pratique, il s'agit de prendre un modele donne (motive par telle ou telle raison) et regarder comment la non-observation de matiere noire (et en fait toutes les donnees de physique des hautes energies) peut etre expliquee. Dans ce cas-la, l'idee est de regarder comment observer un signal du modele dans le futur proche.
I just read your post on dark-matter (the english version). Good posts, steemit needs more of you and the likes of you: accurate and interesting science posts.
Mind me asking what do you do for a living? You say you're a particle physicist. Do you work at CERN?
Thanks for your comment. I worked at CERN in the past and I am now working in collaboration with CERN people (and actually also physicists from all around the world). In other words, I am not based at CERN anymore, but I follow very closely what is going on there, I still have an office space there, I can go there anytime I want, but I am based elsewhere.
Waouhh sacré post !! Je ne mangerai plus de nuggets je crois, imagine je tombe sur des nuggets noires ou dark vador en personne :) lol
Blague à part c'est compliqué ce qu'il se passe dans notre univers. Surtout nous ne savons presque rien finalement, et chaque avancée scientifique est un pas vers le savoir.
Bravo pour le post et merci !
Il suffit de controler la cuisson ;)
On sait a la fois de nombreuses choses et pas grand chose. C'est ca qui est genial :)
I never knew how the big bang came about, but I guess I've been pointed to the right direction. Thanks for dropping the English version of the post.
merci d'avoir partagé cela :)
No one actually knew why there was a big bang. This question is more a philosophical one than a scientific one :D
Toujours aussi bon sur le fond et la forme ! Upvoté à 100% !
Merci merci ^^
Very useful post thanks for sharing with us
I've resteemed your post!
please up vote this comment.
Bonjour , très bon post . J'ai hate d'utiliser de l'energie noire pour faire mon café Kappa
Je ne suis pas convaincu que cela va fonctionner ;)