lundi 21 avril 2014

Des neutrons ultra-froids testent la gravitation, l'énergie noire, et la matière noire

Une équipe de chercheurs menée par le physicien autrichien Thomas Jenke, de l'université technique de Vienne, vient de réussir une prouesse en développant une toute nouvelle technique expérimentale. Cette technique porte désormais le doux nom de Spectroscopie de Résonance Gravitationnelle. Ils sont ainsi parvenu à poser de nouvelles contraintes à la fois sur l'énergie noire et sur une certaine hypothèse de matière noire. Cela mérite quelques explications...



Les chercheurs ont exploité des neutrons ultra-froids (c'est à dire de très basse énergie cinétique) pour regarder de très près comment ils se comportent dans le champ gravitationnel terrestre et tester la loi de Newton et d'éventuelles anomalies à très petite échelle.
Le coeur du réacteur à Haut Flux de l'ILL (Institut Laue Langevin)
La fonction d'onde quantique d'une particule située dans un potentiel linéaire, par exemple le champ gravitationnel proche de la surface terrestre, possède un spectre en énergie continu. Mais lorsque cette particule, comme un neutron, voit son mouvement contraint par deux murs de potentiel, son spectre en énergie devient discontinu : il apparaît des niveaux d'énergie discrets, quantifiés.
C'est cet effet qu'ont voulu observer Jenke et ses collègues, et ils y sont parvenus.
Pour créer deux murs de potentiel gravitationnel, ils ont utilisé deux miroirs entre lesquels ils ont donc fait passer un faisceau de neutrons de très basse énergie, dans une installation expérimentale développée auprès du réacteur à haut flux (HFR) de l'Institut Laue Langevin (ILL) de Grenoble.
Le but est de mesurer la différence d'énergie infime qui sépare deux niveaux quantiques d'énergie gravitationnelle. Pour mesurer cela, il faut modifier la distance des murs de potentiel, donc la distance des deux miroirs. Un miroir est donc fixé et le second subit des oscillations très rapides avec un mouvement nanométrique. L'oscillation de la distance entre les miroirs induit une oscillation des neutrons entre deux niveaux d'énergie gravitationnelle. Mais pas avec n'importe quelle oscillation des miroirs : il faut que la fréquence du mouvement ait une certaine valeur, correspondant à l'écart entre les niveaux quantiques énergétiques, ce qu'on appelle le phénomène de résonance. Et lorsque ce saut en énergie gravitationnelle a lieu, le nombre de neutrons sortant de la cavité d'expérience se trouve réduit par rapport au cas où la fréquence et quelconque et ne coïncide pas avec un des différents niveaux d'énergie gravitationnelle.

Il suffit alors de "simplement" mesurer le nombre de neutrons transmis à travers la cavité en fonction de la fréquence d'oscillation du miroir mobile et le tracé de cette courbe de transmission montre alors des creux à certaines fréquences, les fréquences de résonance, qui correspondent aux différents niveaux d'énergie gravitationnelle.
Grâce à cette méthode très innovante, les physiciens autrichiens ont réussi à mesurer quatre niveaux d'énergie gravitationnelle pour leurs neutrons. Et cette mesure leur permet de tester la validité des bonnes vieilles équations de Newton, mais jusqu'à des échelles très petites, de l'ordre de quelques microns seulement. 
C'est une première puisque la gravitation n'avait encore jamais été testée à des échelles aussi petites. 
Principe de la technique de spectroscopie de résonance gravitationnelle (à gauche). Un neutron ultrafroid (UCN) entre dans une cavité de deux miroirs produisant une discrétisation de ces niveaux d'énergie gravitationnelle (à droite) (APS/Alan Stonebraker)
Et cette très belle mesure, dont les résultats viennent d'être publiés dans Physical Review Letters, permet quelques implications en cosmologie, et oui! à la fois sur l'énergie noire et la matière noire, ce qui la rend encore plus intéressante.
Il se trouve que certains modèles théoriques cherchant à expliquer l'énergie noire proposent un scénario dans lequel existe un nouveau champ scalaire, et ce champ scalaire devrait modifier légèrement les niveaux d'énergie gravitationnelles des neutrons dans ce type d'expérience. Or comme les niveaux d'énergie mesurés par l'équipe de Jenke sont exactement ceux prédits par la théorie classique, le scénario d'énergie noire en question peut donc être très contraint par ces nouvelles mesures.

Quant aux implications sur la matière noire, elles concernent une hypothèse de matière noire que nous avons déjà évoquée ici, à savoir des particules qu'on appelle des axions. Les axions doivent produire un couplage entre le spin des neutrons et leur position, ce qui induit là encore théoriquement une modification des niveaux d'énergie gravitationnelle dans la cavité. Pour évaluer ce phénomène potentiel, il fallait donc polariser les neutrons avant leur entrée dans la cavité et refaire la mesure, puis comparer avec une mesure sans polarisation. Rien de plus simple : pour polariser, c'est à dire aligner le spin de tous les neutrons du faisceau, il faut appliquer un champ magnétique linéaire. Un aimant fait l'affaire. Le résultat obtenu par l'équipe autrichienne est sans équivoque : il rejette certains types de couplages d'axions, ou au moins apporte des nouvelles contraintes, ce qui permet de fixer un peu plus les contours du modèle théorique des axions.

Cette belle expérience fondant une toute nouvelle méthode, que les auteurs ont nommée spectroscopie de résonance gravitationnelle a utilisé des neutrons ultra froids, très utiles grâce à leurs propriétés physiques unique : neutralité électrique et spin demi-entier, ce qui les rend sensibles uniquement à la gravitation et aux champs magnétiques (j'exclue ici les réactions nucléaires). Le réacteur expérimental à haut flux de l'ILL de Grenoble, qui existe depuis 1971 est la source de neutrons la plus efficace en Europe, voire dans le monde, pour parfaire ce type de science avec des neutrons.  Y étudier des implications cosmologiques comme l'énergie noire et la matière noire est tout à fait inédit et promet de futures explorations neutroniques toujours plus fructueuses.


Source : 
Gravity Resonance Spectroscopy Constrains Dark Energy and Dark Matter Scenarios
T. Jenke et al.
Phys. Rev. Lett. 112, 151105 (16 avril 2014)

Quizz Astro - 3 -

Nouveau Quizz, à vos souris !
Les bonnes réponses avec leurs explications sont données immédiatement après soumission...



jeudi 17 avril 2014

Annonce de Nouvelle Découverte du télescope KEPLER, à suivre en live

A suivre ci-dessous ce jeudi 17 avril à partir de 20h ! Le contenu à un rapport aux exoplanètes vu les participants, mais nous n'en savons pas plus... 


Live streaming video by Ustream

mercredi 16 avril 2014

EURECA : les Européens s'Unissent pour Dénicher la Matière Noire

Prenez des physiciens français du CEA et du CNRS, des allemands du Karlsruhe Institute of Technology et de plusieurs universités , des anglais des universités d'Oxford et de Sheffield, des espagnols, des russes, des slovaques, prenez les meilleurs spécialistes de la détection directe de matière noire, issus de trois grandes expériences européennes jusqu’alors concurrentes comme EDELWEISS, CRESST et ROSEBUD, mélangez le tout soigneusement et vous obtiendrez la future grande expérience européenne de recherche de matière noire directe, celle qui va enfin porter de l’ombre aux américains arrogants de LUX et SuperCDMS.



Schéma du design de l'expérience EURECA pour la recherche
directe de matière noire (collaboration EURECA)
Cette nouvelle collaboration très européenne s’appelle EURECA, et c’est tout ce qu’on leur souhaite, qu’ils trouvent enfin ces WIMPs. Le concept du design de la nouvelle manip vient d’être publié dans Physics of The Dark Universe, ce qui signifie la concrétisation de cette nouvelle collaboration scientifique à l'échelle du continent, et on peut dire que l’ambition est au rendez-vous. 

L’objectif de EURECA est d’exploiter un multidétecteur cryogénique de 1 tonne. Mais pas n’importe quel multidétecteur, les différentes expériences préexistantes vont mettre en commun toutes leurs technologies développées jusque là chacune dans son coin. Et le futur détecteur sera ainsi à l’image des membres de la nouvelle collaboration : il sera composite, comportant à la fois des bolomètres semiconducteurs de germanium, ceux développés par les français de EDELWEISS, et des scintillateurs bolométriques de tungstate de calcium, ceux développés par les allemands de CRESST, avec la grande expertise des anglais de ROSEBUD.

Le détecteur FID800 de EDELWEISS
(in2p3/CSNSM)
Le déploiement de EURECA devrait se faire en deux phases, une première phase rassemblant 150 kg de détecteurs, pour une durée de 1 an, puis la seconde phase arrivant avec l’ajout de 850 kg de détecteurs supplémentaires, pour une durée minimale de 3 ans. Car le système envisagé est très polyvalent et très modulaire. Ce qu’on appelle le ‘détecteur’ est en fait composé d’une multitude de petits détecteurs dont le signal mesuré est mis en commun pour en former un gros. 
Les physiciens européens vont reprendre le concept développé aux Etats-unis pour le blindage indispensable devant entourer les détecteurs pour absorber tous les rayonnements parasites autres que ceux recherchés : une énorme cuve remplie d’eau ultra-pure servira  ainsi de réceptacle aux précieux détecteurs cryogéniques. Pas moins de 3 m d’eau seront ainsi intercalés dans toutes les directions entre les détecteurs et l’extérieur, où pullulent encore quelques photons gamma, quelques neutrons et quelques muons malgré la profondeur du laboratoire souterrain…
Les photons seront absorbés par les 3 mètres d’eau, les neutrons seront ralentis puis finalement absorbés par l’hydrogène de l’eau, et enfin, les muons seront repérés par la lumière Cherenkov qu’ils laisseront dans ces gros réservoirs munis de nombreux photomultiplicateurs pour enregistrer le moindre photon de lumière.

Tours de détecteurs cryogéniques de CRESST
(Technische Universität München)
Le point commun des deux types de détecteurs prévus, semiconducteurs et scintillateurs est qu’ils fonctionnent à des températures cryogéniques. Ce sont des bolomètres. Certes améliorés, mais leur signal principal est l’élévation de température produite par l’interaction (rare !) d’une WIMP. A ce signal de chaleur s’ajoute un signal d’ionisation pour le germanium et un signal lumineux pour le tungstate de calcium. Ils seront refroidis à des températures extrêmes, de l'ordre de 10 millièmes de kelvins (10 millièmes de dégrés au dessus du zéro absolu), grâce à un cryostat à dilution (utilisant un mélange de deux isotopes de l'hélium (He-3 et He-4) faisant un volume de 6 mètres cubes...

Au fait, EURECA est un acronyme, comme vous avez pu l'imaginer, il signifie : European Underground Rare Event Calorimeter Array. Les physiciens ont une préférence pour s'implanter dans un laboratoire souterrain européen, le laboratoire souterrain de Modane en particulier, qui devrait être agrandi et offrir ainsi toute la place nécessaire, et qui est non seulement le laboratoire souterrain le plus profond d'Europe mais aussi le terrain de jeu actuel des français de EDELWEISS. Mais les physiciens ont tout prévu dans leur design, les dimensions et les équipements nécessaires prévus ont été choisi pour pouvoir être adaptables à n'importe quel laboratoire souterrain, comme par exemple le canadien SNOLAB, qui offre une profondeur encore plus importante.

Parlons performances maintenant. Bien évidemment, les physiciens, avec un design d'expérience sur le papier, parviennent à prédire ce qu'ils pourront obtenir en termes de sensibilité.
Le critère important est la valeur de la section efficace WIMP-nucléon potentiellement atteignable. On se rappelle qu'en 2013, l'expérience américaine LUX avait explosé tous les records en descendant jusqu'à une section efficace de 10-45 cm², soit 10-9 picobarns. Et bien, EURECA dans sa version complète 1 Tprévoit d'atteindre une section efficace encore 50 fois plus faible : 2.10-11 picobarns...

Pas chiens, les européens proposent en outre de prêter leur futur cryostat à toutes les manips exploitant des détecteurs ayant besoin de tels refroidissements extrêmes dans un tel environnement à ultra-basse radioactivité.


La concrétisation du projet EURECA est en tous cas une très bonne nouvelle pour la recherche européenne en physique des astroparticules. Maintenant que les européens se mettent à travailler ensemble, les américains et les WIMPs ont du soucis à se faire...

Source :
EURECA Conceptual Design Report 

The EURECA Collaboration
G. Angloher, E. Armengaud, C. Augier, A. Benoit, T. Bergmann, J. Blumer, A. Broniatowski, V. Brudanin, P. Camus, A. Cazes, M.Chapellier, N. Coron, G.A. Cox, C. Cuesta, F.A. Danevich, M. DeJesus, L. Dumoulin, K. Eitel, A. Erb, A. Ertl, F. von Feilitzsch, D. Filosofov, N. Fourches, E. Garcia, J. Gascon, G. Gerbier, C. Ginestra, J. Gironnet, A. Giuliani, M. Gros, A. G¬ utlein, D. Hauff, S. Henry, G. Heuermann, J. Jochum, S. Jokisch, A. Juillard, C. Kister, M. Kleifges, H. Kluck, E.V. Korolkova, V.Y. Kozlov, H. Kraus, V.A. Kudryavtsev, J.-C. Lanfranchi, P. Loaiza, J. Loebell, I. Machulin, S. Marnieros, M.Martõnez, A. Menshikov, A. Munster, X.-F. Navick, C. Nones, Y. Ortigoza, P. Pari, F. Petricca, W. Potzel, P.P. Povinec, F. Probst, J.Puimedon, F. Reindl, M. Robinson, T. Rolon, S. Roth, K. Rottler, S. Rozov, C.Sailer, A. Salinas, V. Sanglard, M.L. Sarsa, K. Schaffner, B. Schmidt, S. Scholl, S. Sch¬ onert, W. Seidel, B. Siebenborn, M. Sivers, C. Strandhagen, R. Strauss, A. Tanzke, V.I. Tretyak, M. Turad, A. Ulrich, I. Usherov, P. Veber, M. Velazquez, J.A. Villar, O.Viraphong, R.J. Walker, S. Wawoczny, M. Weber, M. Willers, M. Wustrich, E. Yakushev, X. Zhang, A. Zoller

A paraître dans Physics of the Dark Universe

lundi 14 avril 2014

Le Rayonnement Gamma des Pulsars

Généralement, lorsque l'on s'imagine un pulsar, on voit tout de suite cette étoile à neutrons tournant très vite sur elle-même et émettant un fin faisceau d'ondes radio depuis ces pôles magnétiques, qui ne coïncident pas avec ses pôles géométriques, ce qui en fait une sorte de phare céleste. Mais cette image certes à peu près correcte, est néanmoins très incomplète.


Zones de production d'ondes radio et de rayons gamma autour d'un pulsar.
Car les pulsars n'émettent pas uniquement de l'énergie électromagnétique par ce mécanisme, ils produisent également de nombreux autres rayonnements, de manière plus diffuse. C'est en 1974 que furent pour la première fois observés des pulsations de rayons gamma sur les pulsars du Crabe et de Véla. En fait, les rayons gamma participent pour environ 5% de toute l'énergie mécanique perdue par le pulsar, qui voit sa rotation ralentir inéluctablement...
L'émission gamma semble logiquement liée à l'émission radio. Cette émission radio est due à la présence d'instabilités dans le plasma dense d'électrons et positrons des zones situées juste au dessus des pôles magnétiques. Or les phénomènes physiques responsables de la production de ces paires de particules/antiparticules doivent immanquablement produire également des photons gamma dans ces mêmes zones.

Mais, alors que pour le pulsar du Crabe, les émissions gamma suivaient parfaitement les émissions radio, il n'en était curieusement pas de même pour le pulsar de Véla. Puis une petite dizaine de nouveaux pulsars purent être détectés et étudiés dans les années 1990 grâce notamment au télescope EGRET de la NASA, et aucun d'eux ne montrait des pulses gamma coïncidents avec les pulses radio, les structures temporelles étaient toutes très différentes. Et puis EGRET a étudié le pulsar Geminga, c'était en 1992, un objet vraiment très bizarre puisqu'il ne possédait aucunes pulsations radio caractéristiques d'un pulsar, mais bien des pulsations gamma en revanche...
C'est à partir de ce moment là que les astronomes ont commencé à revoir sérieusement leur modèle des pulsars.
Geminga imagé par XMM-Newton (ESA)
Les rayons gamma ne seraient pas produits dans la même zone que les ondes radio, mais bien plus loin. Ils seraient crées en fait au niveau de ce qu'on appelle le rayon du cylindre de lumière. Il s'agit de la distance à partir de laquelle des particules qui voudraient avoir un mouvement en corotation avec l'étoile à neutron doivent avoir une vitesse relativiste.
Au delà du cylindre de lumière, la magnétosphère ouvre une zone de transition au travers de laquelle s'écoule un vent de particules énergétiques. 

Il en découle une vaste surface d'émission de rayons gamma, très différente des fins faisceaux d'ondes radio concentrés au niveau des pôles de l'étoile à neutron. Et depuis 5 ans maintenant, le télescope spatial Fermi-LAT engrange des dizaines de nouveaux pulsars, notamment du type de Geminga. Il en a déjà répertorié plus de 150 et la quête continue... La vision s'éclaircit de plus en plus désormais : les rayons gamma sont produits presque exclusivement au niveau de l'équateur du pulsar, dans sa magnétosphère externe, dans une sorte de gros accélérateur de particules distribué tout autour de l'astre moribond. 

Même si l'hypothèse initiale de la production de rayons gamma au niveau des pôles s'est révélée inadéquate avec les observations, il n'en reste pas moins vrai que les phénomènes qui s'y passent doivent quand même produire une petite quantité de rayons gamma. C'est maintenant ce que veulent montrer quelques équipes d'astrophysiciens avec l'aide précieuse du télescope Fermi, qui devrait avoir la sensibilité requise pour voir ce rayonnement.


Le Quizz Astro - 2 -




samedi 12 avril 2014

L'Expansion de l'Univers il y a 11 Milliards d'Années

En novembre 2012 (voir là), je vous racontais comment une équipe franco-américaine était parvenue à détecter les oscillations acoustiques baryoniques, grâce à l'utilisation de 50000 quasars lointains. Et ces oscillations acoustiques baryoniques qui se matérialisent par une certaine répartition des galaxies et des masses de gaz dans l'Univers, permettent en outre de déterminer le taux d'expansion de l'Univers à une certaine époque de son évolution.



(Pour une explication claire de ce que sont les oscillations acoustiques baryoniques, je ne peux que vous renvoyer vers cet excellent article).

Un an et demi plus tard, la même équipe poursuit dans sa lancée, toujours avec les données du Sloan Digital Sky Survey (SDSS III), mais cette fois-ci avec trois plus de quasars : 137562 pour être exact. C'est considérable. La technique employée consiste à mesurer comment la lumière de ces quasars est atténuée au cours de son trajet entre son départ et son arrivée dans nos télescopes.  
Principe de la méthode de mesure
employée par BOSS (SDSS III)

C'est en mesurant le spectre des quasars en spectrographie que l'on parvient à voir toute une forêt de raies d'absorption caractéristiques de l'hydrogène intergalactique (les raies Lyman alpha). Cette information permet de déterminer la quantité et la répartition de la matière, de là on en déduit les caractéristiques des oscillations acoustiques baryoniques. Le taux d'expansion est ensuite évalué à partir de la distribution et de la forme de ces oscillations acoustiques baryoniques.

Cela fait environ 5 milliards d'années que l'expansion de l'Univers s'accélère, grâce à (ou à cause de) la mystérieuse énergie noire. Auparavant l'expansion ralentissait. Et c'est justement à une époque où l'expansion ralentissait encore que ces observations s'intéressent. Le taux d'expansion a pu être mesuré à un redshift z de 2,34, soit il y a environ 11 milliards d'années. Timothée Delubac et ses collègues trouvent que ce taux d'expansion valait alors à cette époque 222 km/s/Mpc, ce qui fait en termes plus communs, sachant que 1 Mpc est égal à 31 milliards de milliards de kilomètres, une expansion de 1% tous les 44 millions d'années.
Le taux d'expansion aujourd'hui, bien qu'accélérant, est trois fois plus faible qu'alors, il vaut  actuellement 71 km/s/Mpc.

Le programme du Sloan Digital Sky Survey (SDSS-III) utilise le télescope de 2.5 m de la Sloan Foundation. 
Cette nouvelle mesure est fondée sur les données du BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) qui est l'un des quatres surveys de SDSS-III. Il met en oeuvre les techniques développées depuis 2005 qu'on appelle les oscillations baryoniques acoustiques (ou BAO), ou comment des toutes petites variations dans la distribution de matière de l'univers très primordial permettent de comprendre la taille de l'Univers à différentes époques de son histoire.

Les mesures de BOSS montrent très clairement que l'expansion ralentissait il y a 11 milliards d'années, du fait de l'attraction mutuelle de toutes les galaxies de l'Univers. Et quand l'Univers s'est étendu, la force répulsive - constante - associée à cette fameuse énergie noire à commencé à dominer sur la force de gravitation, et l'expansion à devenir constante durant un temps très court puis accélérant à jamais... (?)


Source : 
Baryon Acoustic Oscillations in the Ly forest of BOSS DR11 quasars.
T. Delubac et al.
soumis à Astronomy and Astrophysics
http://arxiv.org/pdf/1404.1801v1.pdf