Le professeur Attila Krasznahorkay et ses collègues d’ATOMKI (l’Institut de recherche nucléaire de Debrecen, en Hongrie) ont récemment publié un article qui laisse entrevoir l’existence d’une particule subatomique jusqu’alors inconnue, surnommée X17. L’équipe a d’abord rapporté avoir trouvé des traces de cette particule en 2016, et ils rapportent maintenant d’autres traces dans une expérience différente.
Des anomalies dans les expériences de physique nucléaire peuvent montrer les signes d’une nouvelle force. Crédit image : Jw210913.
Si les résultats sont confirmés, la particule X17 pourrait aider à expliquer la matière noire, la substance mystérieuse qui, selon les scientifiques, représente plus de 80% de la masse de l’Univers.
Elle pourrait être le vecteur d’une “cinquième force” au-delà des quatre prévues par le modèle standard de la physique : la gravité, l’électromagnétisme, la force nucléaire faible et la force nucléaire forte.
Des atomes fracassants
La plupart des chercheurs qui recherchent de nouvelles particules utilisent d’énormes accélérateurs qui écrasent les particules subatomiques à grande vitesse et observent ce qui ressort de l’explosion. Le plus grand de ces accélérateurs est le Grand collisionneur de hadrons en Europe, où le boson de Higgs – une particule que les scientifiques recherchaient depuis des décennies – a été découvert en 2012.
Le professeur Krasznahorkay et ses co-auteurs ont adopté une approche différente, en menant des expériences de plus petite envergure qui tirent des particules subatomiques appelées protons sur les noyaux de différents atomes.
En 2016, ils ont examiné les paires d’électrons et de positrons produites lorsque les noyaux de béryllium-8 passent d’un état de haute énergie à un état de basse énergie.
Ils ont constaté une anomalie par rapport à ce qu’ils s’attendaient à voir lorsqu’il y avait un grand angle entre les électrons et les positrons. Cette anomalie pourrait s’expliquer par l’émission par le noyau d’une particule inconnue qui se serait ensuite ” scindée ” en un électron et un positron.
Cette particule devrait être un boson, c’est-à-dire le type de particule qui porte la force, et sa masse serait d’environ 17 millions d’électron-volts. C’est à peu près aussi lourd que 34 électrons, ce qui est assez léger pour une telle particule. (Le boson de Higgs, par exemple, est plus de 10 000 fois plus lourd).
En raison de sa masse, le professeur Krasznahorkay et son équipe ont appelé la particule hypothétique X17. Ils ont maintenant observé un comportement étrange dans les noyaux d’hélium 4 qui peut également être expliqué par la présence de X17.
Cette dernière anomalie est statistiquement significative – un niveau de confiance de sept sigmas, ce qui signifie qu’il n’y a qu’une infime possibilité que le résultat soit le fruit du hasard. C’est bien au-delà de la norme habituelle de cinq sigmas pour une nouvelle découverte, donc le résultat semble suggérer qu’il existe une nouvelle physique ici.
Vérification et double vérification
Cependant, cette nouvelle annonce et celle de 2016 ont été accueillies avec scepticisme par la communauté des physiciens – le genre de scepticisme qui n’existait pas lorsque deux équipes ont annoncé simultanément la découverte du boson de Higgs en 2012.
Alors pourquoi les physiciens ont-ils tant de mal à croire à l’existence d’un nouveau boson léger comme celui-ci ?
Tout d’abord, les expériences de ce type sont difficiles, tout comme l’analyse des données. Les signaux peuvent apparaître et disparaître.
En 2004, par exemple, le groupe de Debrecen a trouvé des preuves qu’il a interprétées comme l’existence possible d’un boson encore plus léger, mais lorsqu’il a répété l’expérience, le signal avait disparu.
Deuxièmement, il faut s’assurer que l’existence même de X17 est compatible avec les résultats d’autres expériences. Dans ce cas, le résultat de 2016 avec le béryllium et le nouveau résultat avec l’hélium peuvent être expliqués par l’existence de X17, mais une vérification indépendante par un groupe indépendant est encore nécessaire.
Le professeur Krasznahorkay et son groupe ont d’abord rapporté des preuves faibles (à un niveau de trois sigmas) pour un nouveau boson en 2012 lors d’un atelier en Italie.
Depuis lors, l’équipe a répété l’expérience en utilisant un équipement amélioré et a réussi à reproduire les résultats du béryllium-8, ce qui est rassurant, tout comme les nouveaux résultats dans l’hélium-4. Ces nouveaux résultats ont été présentés lors du symposium HIAS 2019 à l’Université nationale australienne à Canberra.
Quel est le rapport avec la matière noire ?
Les scientifiques pensent que la majeure partie de la matière de l’Univers est invisible pour nous. La matière dite noire n’interagirait que très faiblement avec la matière normale. Nous pouvons déduire son existence de ses effets gravitationnels sur les étoiles et galaxies lointaines, mais elle n’a jamais été détectée en laboratoire.
Alors où se situe X17 ?
En 2003, l’un d’entre nous (Boehm) a montré qu’une particule comme X17pourrait exister, dans un travail cosigné avec Pierre Fayet et seul. Il transporterait la force entre les particules de matière noire de la même manière que les photons, ou particules de lumière, le font pour la matière ordinaire.
Dans l’un des scénarios que j’ai proposé, les particules légères de matière noire pourraient parfois produire des paires d’électrons et de positrons d’une manière qui est similaire à ce que l’équipe du professeur Krasznahorkay a vu.
Ce scénario a donné lieu à de nombreuses recherches dans des expériences à basse énergie, qui ont permis d’écarter un grand nombre de possibilités. Cependant, X17 n’a pas encore été exclu – dans ce cas, le groupe de Debrecen pourrait bien avoir découvert comment les particules de matière noire communiquent avec notre monde.
Des preuves supplémentaires sont nécessaires
Bien que les résultats de Debrecen soient très intéressants, la communauté des physiciens ne sera pas convaincue de la découverte d’une nouvelle particule tant qu’il n’y aura pas de confirmation indépendante.
Nous pouvons donc nous attendre à ce que de nombreuses expériences dans le monde entier, qui recherchent un nouveau boson léger, commencent à chercher des preuves de X17 et de son interaction avec les paires d’électrons et de positrons.
Si la confirmation arrive, la prochaine découverte pourrait être les particules de matière noire elles-mêmes.
