La matière noire défiée par les étoiles à neutrons

in steemstem •  3 months ago

The English version of this post, in which I address the existence of neutron stars as a probe for specific models of dark matter, has been released a bunch of months ago, here.

Cela fait à présent deux semaines que je suis de retour de vacances, et je n’ai pas encore pris le temps d’écrire le moindre post en français. Je ne vais pas dire honte à moi, mais presque. Allons-y donc! Pour la rentrée, je vais parler d’astrophysique et de cosmologie.


[image credits: NASA (public domain) ]

Les étoiles à neutrons sont des objets astrophysiques pour lesquels nous avons des tonnes de données. Ce qui est une situation complètement opposée à celle de la matière noire dont la détection directe nous échappe toujours.

Par conséquent, il existe plusieurs centaines de scénarios de physique mettant en jeu de la matière noire. L’un d’entre eux parle de ce qui est appelé matière noire baryonique où la particule de matière noire est un baryon.

Oui je sais, cela fait très intuitif: baryonique est lié au mot baryon... J’expliquerai plus loin ce que tout cela est…

Ce scénario est devenu, au moins durant un moment, assez attractif en raison de désaccords entre différentes expériences mesurant la durée de vie du neutron. A nouveau, voir plus loin.

Et qui dit neutrons, peut penser aux étoiles à neutrons. Et voilà la question du jour. Est-ce que les étoiles à neutrons peuvent être connectées aux scénarios de matière noire baryonique?


LA MATIERE NOIRE


La matière noire est aujourd’hui un concept assez standard. Lorsque l’on considère l’ensemble des données cosmologiques et que l’on tente de les expliquer, la meilleure option implique de postuler que la plus grande partie de la matière est de nature inconnue. C’est cela que l’on appelle matière noire.


[image credits: ESA ]

Les mots matière noire définissent exactement ce qu’est cette chose.

Il y a tout d’abord la partie ‘noire’. La matière noire (ou parfois dite sombre) l’est car elle est insensible à l’électromagnétisme. L’électromagnétisme est l’une des quatre interactions fondamentales, et les interactions correspondantes, au niveau microscopique, sont véhiculées par les photons (aussi connu comme les particules de lumière). Et voici notre qualificatif de noir (ou sombre), par opposition à lumineux.

Ensuite, nous avons la partie ‘matière’. Là, c’est plus simple. La matière noire doit agir gravitationellement, comme de la matière normale. Donc la matière noire est de la matière. Facile non?


BARYONS


En début de post, j’ai mentionné le mot ‘baryon’. Ou plutôt ‘matière noire baryonique’. Il est à présent temps de définir ce concept.

En physique des particules, on appelle généralement baryon toute particule faite de trois quarks. Les quarks sont les constituants de la matière les plus élémentaires et se trouvent partout, même dans le fromage allemand.


[image credits: CERN ]

Les quarks sont sensibles à l’interaction forte, la plus forte des quatre interactions fondamentales (d’où son nom… pas beaucoup d’originalité ici). Cette interaction est si forte qu’en fait, les quarks n’existent pas librement dans la nature et forment plutôt des états composites, comme illustré dans l’image à gauche.

Les baryons sont l’ensemble des états composites faits de trois quarks. Les baryons les plus connus sont sans nul doute les protons et neutrons qui forment les noyaux atomiques. Mais il faut garder à l’esprit que la zoologie des baryons regroupe des dizaines et des dizaines d’espèces.


MATIERE NOIRE BARYONIQUE


Mais on peut aller plus loin avec nos baryons. On peut les upgrader en symétrie (les physiciens adorent les symétries).

  • A tout baryon, on associe un nombre baryonique qui vaut +1.
  • A tout antibaryons (comme un antiproton ou un antineutron), on associe un nombre baryonique de -1.
  • A toute autre particule, le nombre baryonique est de 0.

Ensuite, on impose au nombre baryonique d’être conservé lors de toute réaction. Tout comme la charge électrique. Oui mais ensuite? Et bien facile: on peut émettre l’hypothèse de matière noire baryonique.


[image credits: Wikipedia ]

On prend de la matière noire, qui bien qu’elle ne soit pas faite de quarks, possède un nombre baryonique non nul. Cette hypothèse dictera ensuite la façon dont la matière noire interagira avec le monde visible.

Bien sûr, on ne peut pas construire notre modèle n’importe comment, car on a des données à reproduire. Mais la forme des données nous montre qu’il existe des façons de construire un modèle de matière noire baryonique où l’accord avec les données est excellent.

Ces modèles prédisent en général que la matière noire baryonique va bousculer (et le mot est faible) les propriétés des neutrons. On pourrait se dire que du coup, on est maudit… Mais en fait, non! Il y a des problèmes dans les observations des neutrons et de leurs propriétés… et les modifications induites par une particule de matière noire baryonique (choisie plus légère que le neutron) permettent de les résoudre!

Il existe en effet diverses expériences qui tentent de mesurer la durée de vie du neutron, et ces expériences donnent des résultats non compatibles entre eux. En présence de matière noire baryonique, un neutron peut cependant se désintégrer en matière noire (les deux bestioles sont des baryons). En fait, c’est juste ce qu’il nous fallait pour rétablir l’accord entre les expériences.

Mais quid des étoiles à neutrons? La matière noire baryonique devrait aussi tout chambouler de ce côté-là...


LES ETOILES A NEUTRONS ET LA MATIERE NOIRE BARYONIQUE


Comme vous le savez sans doute, les étoiles à neutrons font partie des objets les plus compacts de l’univers. Elles naissent de la mort d’étoiles massives une fois que le cœur de ces dernières s’écroule gravitationellement. Tous les protons et électrons présents au sein de l’étoile mourante (à ne pas confondre avec l’étoile de la mort) se retrouvent alors à s’annihiler pour donner lieu à un bon tas de neutrons.


[image credits: NASA ]

Récemment, un petit groupe de collègues se sont mis à évaluer comment la matière noire baryonique, qui affecte fortement les neutrons, pourrait affecter les étoiles à neutrons (qui contiennent, comme vous pouvez le deviner, des neutrons). Leurs calculs ont montré que l’existence de matière noire baryonique ne permettait pas aux étoiles à neutrons plus lourdes que le soleil d’exister.

Et bien entendu, ceci est en désaccord total avec les observations. Par conséquent, la matière noire peut difficilement être considérée comme baryonique… A part si on rend les modèles méchamment compliquées (ce que les physiciens, moi le premier, n’aiment pas en général).


PETIT RESUME


Parmi tous les modèles de matière noire sur le marché, certains exploitent le concept de matière noire baryonique. Dans ce cas-là, les particules de matière noire sont des baryons, comme les neutrons et protons. Dans ce cas-là, les propriétés des neutrons peuvent être affectées fortement, surtout si la masse des particules de matière noire est inférieure à la masse du neutron.

Bien que cela semble complètement fou de vouloir saboter les propriétés des neutrons, il existe des mystères expérimentaux qui peuvent être alors résolus. Car dans le cas de la matière noire baryonique, un neutron peut se désintégrer en matière noire.

Malheureusement, cela voudrait aussi dire que les étoiles à neutrons plus massives que le soleil, qui ont été observées par monts et par vaux, ne peuvent pas exister. Ohoh… nous avons donc un souci: la matière noire ne pourrait être baryonique que dans le cas de modèles affreusement complexes…

Chaque jour, on en apprend ainsi un peu plus sur ce que la matière noire, si elle existe, peut ou ne peut pas être.

SteemSTEM

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Le plus drôle est que je suis sur que lorsque l'on aura enfin résolu le mystère de la matière noire et énergie sombre on aura le droit à un Bon sang mais c'est bien sûr hahaha.

Je suis toujours fasciné par le don des sciences et surtout des mathématiques à nous faire voyager où nul être humain n'a encore mis les pieds et nous faire rêver aussi.

Espère que les technologies nous permettent un jour de descendre encore plus bas pour savoir ce qu'il y a dans les fermions voir si la réponse ne s'y trouve pas ;)

Du coup pour finir deux petites questions, y a-t'il une évolution qu'on pourrait qualifier d'exponnentielle (genre loi de moore) dans l'utilisation d'IA dans la recherche fondamentale? Aide t'elle ou du moins participe-t'elle à la découverte de nouvelles équations du fait d'être libérée de ce qui est pour nous une contrainte, je veux parler de nos sens que nous devons outre-passer pour assimiler/concevoir certains concepts? Comme par exemple les objets 4D fort bien exposée par Mickaël Launay, sur sa chaine Youtube, qui pourtant me sont toujours aussi dur à me représenter mentalement hahaha

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J'espere que le mystere sera prochainement resolu, mais ce n'est pas si evident. Tout ca nous pose du fil a retordre aussi bien theoriquement qu'experimentalement. Au final, comme je l'ai dit a la fin de mon article, on en apprend jour apres jour. C'est ca qui est important: mieux comprendre et eviter le sur place.

Du coup pour finir deux petites questions, y a-t'il une évolution qu'on pourrait qualifier d'exponnentielle (genre loi de moore) dans l'utilisation d'IA dans la recherche fondamentale?

On est pas mal verse dans ce domaine, Par exemple, l'AI etait deja utilisee dans les analyses experimentales du CERN des annees 1990. Aujourd'hui, cela fait partie de la routine, et les methodes associees sont utilisees un peu partout. Je ne sais pas si on peut parler de developpement exponentiel, mais en tous cas, les techniques associees sont quasi partout. Mais c'est plus pour les analyses experimenales ou phenomenologiques que pour la recherche de nouvelles theories (ou equation). La honnetement, je ne vois meme pas comment mettre les choses en place (je connais quelques chercheurs qui travaillent la dessus, mais c'est complique et ils n'ont pas de resultats a date).

En tous cas, merci pour ton commentaire!

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Merci pour les précisions, je me doutes qu'avec toutes les données à traiter un petit coup de mains de l'IA pour les analyses n'est pas de refus ;) Finalement on en revient au documentaire que j'ai regardé sur la fibre optique, c'est toujours la science (en l'occurence le médical pour la fibre optique) qui donne l'impulsion des avancées technologiques majeures.

C'est sur que même un petit pas est un pas en avant vers plus de connaissance, cela doit aussi demander un sacré self control lorsque l'on voit que pour mettre en corrélation théorie et expérimentation pour la valider il peut se passer 1/2 siècle du fait des limitations de la technologie au moment de l'élaboration de la théorie. Du coup je pense que pas mal de temps et d'énergie est aussi consacré à trouver comment faire avec les moyens du bord en attendant mieux.

Ce matin une question m'a échapée, si la matière noire à une masse cela veut dire qu'une intéraction existe avec le champs de Higgs (la masse des particules étant acquise et non intrinsèque)? Du coup cela ouvre t'il de nouvelles portes ou en a fermé certaines? (après je suis bien loin d'avoir le niveau scientifique pour développer ma question hahahaha)

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Le truc amusant, c'est qu'a present le big data est tellement partout que les developpements industriels sont plus rapides. Mais on rattrape comme on peut avec le peu de moyens qu'on a (on ne fait pas le poids face a des geants comme facebook ou google). D'un autre cote, notre but n'est pas de faire de l'argent non plus ;)

La matiere noire peut interagir avec le Higgs, mais ce n'est pas essentiel. Ca depend des modeles. Pour citer un examples, les modeles ou le Higgs joue le role du mediateur entre le secteur sombre (contenant la matiere noire) et le secteur visible (contenant les particules connues) ont ete grandement etudies, et les contraintes sont tres fortes. Lorsque tu prends a la fois l'astrophysique/cosmologie et les collisionneurs, ces modeles sont vraiment bien contraints (mais non exclu). Donc oui, des portes s'ouvrent, se ferment, mais l'inconnue persiste (en tous cas pour le moment).

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Je pense effectivement qu'il y a un moment où une bascule s'opère et que les entreprises privées passent devant la recherche. J'attends de voir si D-Wave avec ses quantum computers, même si encore extrêmement limité, va réussir son pari. A priori Volkswagen en aurait déjà fait une utilisation sur un calcul d'optimisation de flux de trafic en Chine.

Je ne savais pas que cela avait déjà été grandement étudié, je pensais que cela n'en était que dans les début, merci pour l'info.

Merci aussi pour cet échange sur des sujets bien passionnant.

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Avec plaisir! Toujours avec plaisir. Et merci a toi pour avoir laisse un commentaire!

I followed the link to the English version.

There's an unrelated question I want to ask: Sometimes ago, I heard about the mesons; are these part of the baryonic dark matter, or are they particles of their own?

Hope I'm not asking a stupid question?

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Mesons are particles made of a quark-antiquark pair and are not baryons. Their net baryon number is indeed 0 (+1 for the quark and -1 for the antiquark).

Here, when I talk about baryonic dark matter, we really talk about new particles that for some reasons possess a baryon number. But they are not made of quarks.

I hope this clarifies.

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That means; mesons have only two quarks?

Thanks a lot for the clarification and quick lectures sir.

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One quark and one antiquark to be precise.

well, if i didnt know better, id almost think you've been reading my posts and replies, sensei.

That's real stretch you got there, i mean, ... starting from dark matter then giving it actual attributes?

that's why call it theoretical physics, right? i mean, why would dark matter behave in any way like normal quarks spinning like a 14 year old girls head in all directions all the time?

its a theory that "might" work

have you ever considered that neutrinos might be an observation by self-fulfilling prophecy just because they "look like" what you expect to see ?

thats the beauty of it all i think, because once you're sure you're like the doctor who has healed everyone : out of the job

i doubt that will happen soon though

well you know me, im not a-verse to variable gravity, in my head that would make sense as the whole universe oscillates but

i'm the wisest of all greeks since i know i know nothing at all hahah

this isnt french for beginners, you know that, right ?

good to have you back, i hope you cleared that head of yours to bring it on again ...

i never had my own personal particle physicist until i got on steemit ;-)

i really like the picture of "the eye of god" you got upthere, ive been looking for a while for a constellation / galaxy that looks like an "x" i saw the picture one time , ever and i havent found it back ... maybe its a favourite at Nasa and someone here can point me somewhere ?
im probably more of a byronic man than a baryonic one myself but ive always had questions since i was a kid, drove my parents crazy

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that's why call it theoretical physics, right? i mean, why would dark matter behave in any way like normal quarks spinning like a 14 year old girls head in all directions all the time?

For that reasons, we must try all possible options to make sure we won't miss it.

have you ever considered that neutrinos might be an observation by self-fulfilling prophecy just because they "look like" what you expect to see ?

I beg your pardon? I didn't get this one.

i really like the picture of "the eye of god" you got upthere, ive been looking for a while for a constellation / galaxy that looks like an "x" i saw the picture one time , ever and i havent found it back ... maybe its a favourite at Nasa and someone here can point me somewhere ?

In my case, I just googled for a good picture. Nothing more nothing less ;)

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hahah , euhm

oh first of all, as im cleaning out my newsletters : i dont understand half of this but maybe you do :

https://www.futurity.org/quantum-computers-maxwells-demon-1861112/

by the self-fulfilling prophecy i mean just that : seeing what is expected because the image fits the expectations while it might still be something no one actually thought of so far and completely different :)

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I know a bit about it. You may want to read this to get more information on Maxwell daemons and zombies :)

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a bit to you might be a byte to me :) thanks

:: the post seems to lead to an empty page, i have tried opening the link in both chrome and firefox :|

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I have fixed the link. Sorry about that.

Très intéressant. J'ai appris beaucoup sur la matière noire. Si j'ai bien compris on a aucune preuve concrête de la matière noire jusqu'à maintenant? Merci à toi! @lemouth

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C'est quasi ca.

On a des preuves, mais elles sont toutes indirectes. C'est-a-dire que ca pourrait etre de la matiere noire, mais ca pourrait etre autre chose. En termes de probabilite, l'hypothese matiere noire est cependant plus probable.

La conclusion est cependant la suivante: tant qu'il n'y a pas d'observation directe, on reste en standby :)

Merci pour la publication en français :)
Un petit pas de plus pour moi dans le monde de la physique quantique ... Le "petit résumé" me fut fort utile !
Mais, je vais devoir tout de même relire attentivement pour une meilleure compréhension ...

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Je sais que j'ai choisi un sujet avec beaucoup de concepts compliques. Mais j'ai essaye de tout definir. Ne pas hesiter a revenir vers moi avec tes questions si necessaire :)

Merci pour cet article fort intéressant que je vais m' empresser de relire plus en détails ;-)
Tu sais où l'on peut trouver une liste de tes articles #fr ?
A bientôt ;-)

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Avec plaisir!

Euuh, pour la liste, a part interroger la blockchain a l'aide d'un petit script, je ne vois pas :)

Just accidentally dropped by here. My French isn't good enough, but supporting Steemstem :D

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Thanks a lot! If you want to read, there is a link to the English version of this post (written months ago) at the beginning of the post. I am trying to write 1-2 times a month in French. Unfortunately, I don't know Chinese so that I can't do the same in Chinese :)

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De rien. Je comprends un peu de français aussi :) mais pas pour STEM lol. I’ll check the English version. No worries, it’s ok without Chinese hahha

Posted using Partiko iOS

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I am going usually once a year to China for work. In 2 months, I will head to Hefei for a big particle physics school where I will lecture. :)

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Pretty cool. I’ve never been to Hefei myself even though it’s just the province next to mine. Particle physics sound awesome though.

Posted using Partiko iOS

Ah, les particules, ce sujet hautement complexe mais tellement intéressant !

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N'est-ce pas? :D

Très bel article, mais j'avoue avoir eu du mal à suivre. Il va falloir que je le relise avec plus de concentration😉

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Merci! N'hesite pas a poser des questions si y a des choses obscures. Je suis la pour ca!

Enrichissant comme à chaque fois ! Merci d'étaler votre science à notre profit ! Upvoté à 100% !

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Merci! le plaisir est pour moi ^^

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very intiristing ythjtyg.jpg

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Cool picture :D

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Euh mais de rien :)

This is a great post.The pictures are creative.thank you.

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Thanks, but do you know that these pictures are well known ones? :)

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Merci pour cet articles. Je découvre l'auteur et je suis très heureux de trouver quelqu'un qui est spécialisé dans ce domaine. J'ai beaucoup de question et je comprendrai tout à fait que vous ne puissiez répondre à toute. Mais je me lance en espérant avoir au moins une réponse de votre part :) !

Premièrement, en vous lisant j'ai l'impression que les études menées pour détecter la matière noire se font généralement en impliquant des particules connues. Est-ce le cas ?

Après avoir écouter d'innombrable conférence sur le sujet et lu de papier, mon avis non scientifique enfin disons plutôt le ressenti que j'ai après toutes ces heures passer à tenter d'assimiler vos résultats et vos découvertes. J'ai en tête un modèle d'univers où absolument tout est lié. Nous sommes tous reliés, que ça soit humains entre humains, ou humains-animaux, animaux-étoiles, enfin bref toute la matière est liée par quelque chose qui nous dépasse.

C'est cette fameuse intrication quantique qui m'a fait penser cela, car faire réagir un photon à de grande distance instantanément implique obligatoirement soit de dépasser la vitesse de la lumière soit tout bêtement, peut-être ces deux particules sont liées par une sorte de tige que nous ne pouvons observer. Et cette même tige serait peut-être constitué de matière que nous n'avons pas encore découverte ou peut-être que vous avez déjà les particules sous les yeux mais que l'assemblage vous échappe encore, un peu à la manière des neutrinos qui existent mais qui sont difficilement perceptible.

Pour finir une interrogation qui me taraude depuis des mois maintenant, concerne les photons. Si les photons n'ont pas de masse, cela veut donc dire que nous pourrions agglomérer des milliards de milliards de milliards de milliards de milliards .... de photons et la masse totale de cette agglomération pèserait toujours 0 ?

J'espère que mes questions ne sont pas trop bête. En attendant vos avis je vous remercie à nouveau pour vos travaux et pour le partage de ceux-ci.