L’idée peut sembler relever de la science-fiction, mais elle a en réalité été avancée par des chercheurs renommés en physique théorique. Un soi-disant monde miroir pourrait exister parallèlement à notre réalité ordinaire, dans lequel chaque type de particule élémentaire aurait une particule miroir correspondante. Il y aurait alors des électrons miroirs, ainsi que des protons miroirs et des neutrons miroirs. Cependant, selon cette théorie, les particules normales interagiraient peu avec les particules miroirs. « Essentiellement, les deux types de particules ressentent la présence de l’autre par la force de gravité », explique Geza Zsigmond, chercheur au PSI Center for Neutron and Muon Sciences.
Malgré des décennies de recherche, ces mystérieuses particules miroirs n’ont jamais été détectées. Bien que les résultats d’expériences récentes à l’Institut Laue-Langevin en France aient relancé les spéculations sur les neutrons miroirs, une nouvelle expérience menée par des chercheurs du PSI a désormais apporté un éclairage supplémentaire sur la question, atteignant un niveau de précision inégalé. Les résultats excluent, avec une très haute probabilité, toute transformation des neutrons en leur version miroir.
Le fait que les particules miroirs interagissent à peine avec la matière ordinaire est précisément ce qui rend leur recherche si difficile. Elles ne peuvent interagir avec la matière que nous connaissons que de deux manières : soit par la gravitation, soit par la rare oscillation de particules neutres. C’est aussi pourquoi les particules miroirs pourraient être candidates à ce que l’on appelle la matière noire. Même si la matière noire représente une part considérablement plus importante de la masse totale de l’Univers que la matière ordinaire, sa nature reste un mystère complet. La faiblesse de l’interaction entre les particules miroirs et notre propre monde est précisément la raison pour laquelle elles pourraient expliquer la matière noire.
À la recherche d’oscillations rares
« Il n’y a aucun moyen de prouver l’existence de particules miroirs en utilisant uniquement l’interaction gravitationnelle », déclare Bernhard Lauss, responsable du groupe de recherche en physique des neutrons ultrafroids au PSI Center for Neutron and Muon Sciences. « Pour cette raison, nous nous sommes concentrés sur l’autre propriété des particules miroirs, à savoir que, selon cette hypothèse, les particules neutres pourraient osciller d’avant en arrière entre notre monde de matière normale et le monde miroir. » Cela signifie qu’une particule neutre, comme le neutron, pourrait – dans de très rares occasions – se transformer en une particule miroir et simplement disparaître de notre monde. Après un certain temps, elle pourrait ensuite réapparaître de nulle part.
« Les neutrons sont idéaux pour cette expérience car, premièrement, ils sont électriquement neutres et, deuxièmement, ils possèdent une propriété étrange », ajoute Zsigmond. « Les neutrons semblent avoir des durées de vie différentes, selon la façon dont celle-ci est mesurée. » Une partie de cet écart pourrait être due au fait que certains neutrons « disparaissent » dans le monde miroir pendant qu’ils sont mesurés.
Pour comprendre ce comportement particulier, les chercheurs du PSI se sont associés à des chercheurs de l’ETH Zurich et de l’Université Jagellonne de Cracovie et ont conçu une expérience sophistiquée. Ils ont considérablement ralenti les neutrons – produits en grande quantité à l’accélérateur de protons à haute intensité du PSI – créant ainsi ce que l’on appelle des neutrons ultrafroids. Ils les ont ensuite piégés dans un récipient sous vide en acier inoxydable non magnétique spécial. Cela nécessitait, d’une part, un très grand nombre de neutrons ultrafroids – la source du PSI est leader mondial dans la production de ceux-ci – et, d’autre part, les bobines de champ magnétique entourant le récipient devaient être contrôlées avec la plus grande précision. En effet, la probabilité que les neutrons passent dans le monde miroir et reviennent dans notre monde est extrêmement sensible aux champs magnétiques environnants.
Aucune indication d’un monde miroir – malgré des résultats de classe mondiale
Toutes les 5 minutes, l’équipe stockait environ 1,5 million de neutrons dans un grand réservoir en acier inoxydable. Chaque fois, les chercheurs le vidaient après environ 200 secondes et déterminaient combien de neutrons restaient. Ils ont répété le processus sur plusieurs mois, mesurant au total environ 25 milliards de neutrons.
« Au fil du temps, nous avons progressivement fait varier la force et la direction du champ magnétique afin de balayer toutes les régions pertinentes où l’on pourrait s’attendre à des oscillations entre les neutrons et les neutrons miroirs », dit Lauss. « Mais nous n’avons observé aucune preuve de telles oscillations. » Ces résultats signifient qu’il y a une très forte probabilité que les spéculations antérieures concernant leur transformation en particules miroirs puissent être exclues.
L’expérience du PSI est la meilleure de son genre au monde et fera référence pour un avenir prévisible. Des améliorations substantielles supplémentaires nécessiteraient une configuration extrêmement élaborée. « Nous sommes également fiers que de nombreux jeunes aient pu participer à cette expérience », note Lauss. Deux thèses de doctorat ont été réalisées en collaboration avec l’ETH Zurich dans le cadre de la recherche, et en outre, de nombreux étudiants ont participé à l’expérience.
Bien que l’étude n’ait trouvé aucune preuve d’un monde miroir spectaculaire, ses résultats sont néanmoins importants pour la physique des particules. « En restreignant le champ de certaines spéculations, nous montrons aux chercheurs en physique théorique qu’ils doivent explorer de nouvelles voies », affirme Zsigmond. « La physique a besoin de ce genre d’impulsion pour continuer à évoluer.
Article : New High-Sensitivity Search for Neutron to Mirror-Neutron Oscillations at the PSI Ultracold Neutron Source – Journal : Physical Review Letters – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : PSI
