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La matière noire

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Candidats : les particules

Un grand merci à Jean Orloff pour ses commentaires lumineux sur cette page, ainsi que certains bouts de phrases que j'ai repris texto, na, fallait pas me les donner ! Je suis le seul responsable des erreurs qui peuvent rester, bien entendu...

De nombreuses particules ont été envisagées pour remplir le rôle de matière noire. Nous allons ici dresser la liste des candidats les plus importants (il en manque peut-être). Nous avons classé dans la catégorie "particules" tout ce qui se rapporte aux hautes énergies. Et puisque nous en sommes au vocabulaire, on voit souvent dans la littérature le terme "wimp". Il s'agit à la fois d'un acronyme anglo-saxon, pour "weakly interactive massive particle" ("particule massive interagissant faiblement", où le mot "faiblement" est à prendre dans son sens commun et non en relation avec l'interaction faible) et d'un mot anglais signifiant une personne faible et chétive... Il est souvent utilisé en opposition à macho, l'acronyme de MAssive Compact Halo Object, qui désigne une solution astrophysique au problème de la matière noire... On pourra trouver une excellente introduction au sujet dans [8].

Nous allons évoquer les candidats suivants, classés dans un ordre de "naturalité" très subjectif...

Comme ce personnage de Larcenet, les scientifiques aussi ont l'imagination débordante, inventent des choses nouvelles et peuvent se laisser submerger par la passion ! (Ces images, extraites de "Soyons fous - tome 2" © Larcenet/Editions Audie S.A.S., sont protégées par le droit d'auteur et ne peuvent être utilisée sans l'autorisation des Editions Audie S.A.S. Toute reproduction ou utilisation non autorisée est constitutive de contrefaçon et passible de poursuites pénales)

Neutrino léger

Le neutrino a longtemps semblé un candidat idéal pour la matière noire : il est non baryonique, et a le grand mérite d'avoir été découvert... La densité de neutrinos est bien connue, le modèle du Big-Bang chaud permet en effet de la relier de façon très simple à celle des photons, qui est elle mesurée avec grande précision. Il y a 150 neutrinos par cm3 dans l'Univers.

Ce qui intervient en cosmologie est la densité d'énergie, qu'on peut déduire de la densité numérique si on connaît la température du gaz de particules (c'est le cas) et surtout leur masse individuelle, ce qui par contre n'est pas le cas. Quand on écrit le neutrino, il faut lire les neutrinos, puisque ces particules se déclinent en trois saveurs : électronique, muonique et tauique. Chacune de ces saveurs a une masse différente. La cosmologie indique que ces particules jouent un rôle important en tant que matière noire si la somme de leurs masses est de l'ordre de la dizaine d'eV, et l'observation des oscillations de neutrinos indique très clairement que ce sont des particules massives dont certaines au moins sont des masses supérieures à quelques centièmes d'eV. Les contraintes directes que mettent les études en accélérateur autoriseraient des masses de cet ordre de grandeur, mais d'autres contraintes expérimentales, comme celles venant de la désintégration β du tritium ou la désintégration double β sans neutrino, indiquent des masses plus faibles que l'eV, donc au moins dix fois trop petites pour constituer une part importante de la matière noire (pour une synthèse très claire sur ces points ainsi que sur ce qui suit, voir [1]).

Il se trouve que ce candidat est de toutes façons hors-jeu depuis plusieurs années, car on s'est rendu compte que le scénario de formation des structures qui lui est associé n'est pas compatible avec les observations. C'est essentiellement le cas de la matière noire chaude ("hot dark matter" ou parfois HDM) en général, c'est-à-dire les candidats légers, qui sont encore relativistes au moment où ils se découplent du reste du contenu de l'Univers. Du fait de leur grande vitesse ils ont tendance à s'échapper des zones surdenses, lavant les inhomogénéites de densité sur les "petites" échelles (free-streaming, voir la page [plus sur les grumeaux]). Or on observe des structures à ces petites échelles. Ceci se manifeste en particulier dans le rayonnement de fond cosmologique, dans la distribution des grandes structures, et dans celles des nuages de gaz de l'Univers primordial, visibles par leurs raies d'absorption Lyman α. L'ensemble de ces observations indique que la somme des masses de l'ensemble des neutrinos est inférieure à 1 eV environ, d'où l'on déduit que leur contribution actuelle à la densité cosmologique Ων est inférieure à 0.01.

Le neutrino léger semble donc aujourd'hui exclus comme candidat sérieux à la matière noire. Le terme "léger" signifie ici "de masse inférieure à 3 GeV". En effet, pour des masses plus grandes, le neutrino n'est plus ultra-relativiste quand il se découple des autres particules et les conclusions précédentes ne s'appliquent plus. L'hypothèse d'un neutralino lourd (d'une saveur différente des trois connues), donc de masse plus grande que 3 GeV n'est quant à elle pas exclue.

Neutrino lourd

Un neutrino très lourd pourrait faire l'affaire. Il s'agirait alors d'une quatrième saveur, encore non détectée. Ceci implique d'ailleurs qu'il devrait s'agir d'un neutrino stérile, c'est-à-dire n'interagissant pas avec les autres particules par les mêmes canaux (techniquement, il ne doit pas se coupler au boson Z0, car c'est exclus par les expériences de détection directe). Sa masse devrait être suffisamment élevée pour expliquer qu'on ne le voit pas en accélérateur, et pour qu'il ne perturbe pas les calculs de nucléosynthèse primordiale, qui indiquent qu'il n'y avait que trois espèces de particules relativistes (en plus des photons) à ce moment, ce qui correspond aux trois espèces de neutrinos que l'on connaît déjà. Le neutrino lourd devrait l'être suffisamment pour être non-relativiste au moment de la nucléosynthèse primordiale.

Photino, sneutrino, neutralino, gravitino, SUSY et les Bakerboysinos

La supersymétrie (souvent abrégée en SUSY) a été introduite par les physiciens théoriciens, puis les physiciens des particules et les astrophysiciens se sont vite emparés du magot : pour les premiers cette théorie permet de résoudre plusieurs problèmes auxquels ils étaient confrontés, pour les seconds elle fournit d'un coup tout un tas de nouvelles particules dont l'une, la plus stable (si elle existe) pourrait constituer la matière noire. En effet, la supersymétrie associe à chaque type de particule connu une nouvelle particule dont le spin diffère d'une demi-unité. Les noms des fermions supersymétriques sont construits en ajoutant le suffixe -ino (photino, neutrinalino, gravitino, attention le neutrino n'est pas une le partenaire supersymétrique d'une particule ordinaire, il se trouve que son nom se terminait déjà par -ino quand la supersymétrie a été inventée...), alors que celui des bosons s'obtient avec le préfixe s- (sneutrino, sélectron, etc...).

D'après la supersymétrie, chaque particule du modèle standard a un partenaire supersymétrique, qui a des propriétés physiques différentes.

On ne sait pas si la supersymétrie est réalisée dans la Nature, ou si c'est une pure invention de théoricien. A fortiori, on ne connait pas vraiment les propriétés des particules supersymétriques, si elles existent. Bien sûr, ceci ne signifie pas qu'on ne sache rien et qu'on puisse dire n'importe quoi ! Ces propriétés qu'on ne connaît pas sont reliées de façon plus fondamentales aux paramètres de la théorie qu'on ne connaît pas non plus, mais sur lesquels plusieurs types d'expériences donnent des contraintes. Ces contraintes sur la théorie se répercutent sur d'autres sur les propriétés (masses, couplages) des particules.

Les particules de matière noire doivent être électriquement neutre, et ne pas avoir de charge de couleur (ne pas interagir directement par interaction forte), car sinon on aurait détecté ces particules depuis longtemps. Les possiblités sont alors les suivantes, il pourrait s'agir de :

Parmi ceux-ci, le sneutrino n'est pas un candidat très probable, car il se couple fortement au Z0, et son existence aurait vraisemblablement déjà été mise en évidence en accélérateur. Les gravitinos et axinos sont des candidats raisonnables, mais il est moins naturel d'expliquer que leur abondance actuelle puisse correspondre à l'abondance de matière noire. Les candidats les plus étudiés sont les trois premiers. En fait, une particule peut être un mélange de photino, zino et higgsino, et parle alors de neutralino pour la particule la plus légère, parmi tous les mélanges possibles. On parle parfois de LSP pour Lightest Supersymmetric Particle. Il est crucial de savoir si cette particule est stable. On n'a pas de réponse définitive, mais il est courant de supposer (pour d'autres raisons) l'existence d'une symétrie (la R-parité) qui rend stable la particule la plus légère.

Pour les masses, il existe des contraintes expérimentales assez fortes. Il est toujours possible de chipeauter sur les chiffres que je vais donner, mais en gros : D'une part, si la matière noire est consituée de neutralinos, ceux-ci ne peuvent pas être plus légers qu'environ 10 GeV, car sinon il aurait un effet sur la physique des particules (la désintégration du Z0) que l'on aurait déjà détecté. D'autre part, il peut difficilement être plus lourd que quelques TeV, car la densité relique serait aujourd'hui trop faible. La fenêtre de masse autorisée s'étend donc, en gros, de 10 GeV à quelques TeV.

Les particules supersymétriques fournissent aujourd'hui les candidats les plus alléchants, et un grand nombre d'études sont dédiées à leur recherche. Plusieurs résultats expérimentaux permettent, à défaut de trouver le neutralino, de mettre des contraintes sur leurs propriétés physiques.

Axions, famillons, majorons

Les physiciens des particules basent la plupart de leurs théories sur des symétries et quand, dans la nature, une quantité prend une valeur non naturelle, par exemple une valeur nulle alors qu'il n'y a pas de raison spéciale, une symétrie nouvelle est invoquée. En 1977, Peccei & Quinn ont introduit une symétrie supplémentaire (la symétrie PQ) dans la chromodynamique quantique pour rendre compte de la non-violation de la symétrie CP dans les interactions fortes. Passons sur le côté barbare de cette dernière phrase et signalons simplement que cette symétrie PQ est brisée aux basses échelles d'énergie, ce qui se traduit par l'apparition d'une nouvelle particule légère (un boson de Goldstone) appelée axion.

Dans le modèle de PQ, la brisure de cette symétrie se faisait à l'échelle électro-faible (fA de l'ordre de 100 GeV) ce qui induisait un axion de 1,8 MeV. Malgré son faible couplage, cet axion de PQ a rapidement été exclus. Un axion "invisible" a alors été proposé, dont le couplage et la masse étaient arbitrairement petits, tous deux inversement proportionnels à l'échelle de brisure de symétrie. On peut cependant déduire des limites sur la masse de cet axion "invisible" en examinant les conséquences physiques de son existence. Si les conséquences découlant d'une valeur donnée de la masse sont en contradiction avec ce qu'on observe dans la nature, alors on peut exclure cette valeur. Par exemple :

L'ensemble des contraintes est résumée dans la figure suivante, fournie par le Particle Data Group, chargé de compiler et combiner les différents résultats expérimentaux dans le domaine de la physique des particules.

Les limites sur la masse de l'axion (zone hachurée) et zones intéressantes pour la matière noire (zones pointillées) pour deux modes de production. (adapté du Particule Data Group)

On peut imaginer d'autres symétries approchées, dont la brisure constatée se traduirait par l'existence d'une particule légère (boson de Goldstone). Par exemple, si l'on introduit une symétrie reliant les 3 familles connues de particules élémentaires, la brisure spontanée de cette symétrie (nécessaire pour expliquer que le muon est plus lourd que l'électron) donnerait naissance à un "famillon" léger. Des considérations plus ésotériques produisent de même un "Majoron".

Monopôle magnétique

Un aimant est composé de pôles nord et de pôles sud, mais jamais uniquement de l'un ou l'autre. Quand on casse l'aimant, de nouveaux pôles apparaissent si bien qu'on n'isole jamais un pôle. Le mieux qu'on puisse faire, c'est prendre un aimant (solénoïde) de plus en plus long, et de plus en plus fin. A la limite, on a un monopole magnétique, attaché au bout d'une ficelle (dite de Dirac) infinie. Dirac, grand prestidigitateur, a montré que l'on introduit aucune incohérence quantique en supprimant cette ficelle, pour autant que la charge magnétique du monopôle soit exactement l'inverse de la plus petite charge électrique existante. Qu'un tel objet n'ait jamais été observé n'est pas surprenant ! Mais l'existence de monopôles, qui demande toute l'habileté de la baguette magique de Dirac en électromagnétisme pur, est en fait inévitable dans les théories de grande unification qui l'englobent. La ficelle fantôme de Dirac est alors remplacée par un "noeud" dans les champs de grande unification, portant une énergie de l'ordre de 1016 GeV.

Si on casse un aimant en deux, on obtient deux aimants, chacun doté de ses pôles nord et sud, mais on ne peut pas isoler un des pôles.

Les théories de grande unification prédisent que des monopôles devraient être formés en grande quantité dans l'Univers primordial. Si tel est le cas, on devrait en être entourés et en avoir détecté depuis longtemps, ce qui n'est pas le cas. Ceci peut signifier deux choses : ou bien ces théories sont fausses, ou bien ces monopôles ont subi un événement qui fait que leur densité est aujourd'hui très faible. Cet événement, ce pourrait être l'inflation (introduite en partie pour résoudre ce problème, mais qui en résoud aussi d'autres).

Dans tous les cas, il est intéressant d'essayer de détecter directement les monopôles magnétiques, et plusieurs types d'expériences s'y sont essayé. Elles ont toutes, à ce jour, donné des résultats négatifs.

Pyrgons, Kaluza-Klein

Plusieurs théories fondamentales introduisent des dimensions supplémentaires. Nous vivrions dans un monde contenant, en plus de 3 dimensions d'espace et un de temps, d'autres dimensions. Ceci peut sembler délirant, car nous avons bien l'impression d'être entouré par 3 dimensions d'espace et pas 4 ni 10 ni 153. En fait, on peut imaginer plusieurs raisons pour lesquelles ces dimensions supplémentaires échapperaient à nos sens :

Les premières tentatives d'introduire des dimensions supplémentaires en physique avaient pour but de décrire dans un cadre commun la gravitation et l'électromagnétisme. Ces tentatives ont échoué, mais on appelle toujours la démarche du nom des pionniers : on parle de théories de Kaluza-Klein. Il existe toute une zoologie de telles théories, qui diffèrent par le nombre de dimensions, la façon dont elles sont compactifiées (ou non), par les particules qu'on y laisse se propager...

Il se trouve que quand une dimension est compacte, chaque particule peut avoir plusieurs niveaux d'énergie discrets (de façon tout à fait similaire à la quantification de Bohr qui survient quand on oblige un électron à se mouvoir sur des trajectoires circulaires). Ceci correspond à des états de masse différents pour la particule : pour chaque particule connue, il peut exister une infinité de répliques plus massives. On les appelle des particules de Kaluza-Klein, et parfois des pyrgons. Ces particules pourraient constituer des candidats de choix pour la matière noire.

Branons

Dans certaines des théories à dimensions supplémentaires que nous avons évoquées plus haut, L'espace "normal" à quatre dimensions qui nous entoure est un sous-espace, une surface, dans un espace de dimension plus grande. Dans leur jargon anti-poétique, les physiciens parlent de "brane", en reprenant tel quel le terme anglo-saxon. Cette brane peut vibrer dans les directions des dimensions supplémentaires, et en physique quantique, ces vibrations peuvent se manifester par l'apparition de particules. On parle alors de branons, et il a est envisagé qu'ils puissent constituer des candidats à la matière noire. Voir par exemple l'introduction de [2] et [3].

Pépites de quarks (quark nuggets)

Lors de la transition de phase lors de laquelle, dans les première micro-secondes de l'Univers, les quarks s'assemblent en baryons, il pourrait se former des assemblées d'un grand nombre (1040-1050) quarks u, d et s, qu'on appelle en anglais quark nuggets (cette idée a été proposée par E. Witten en 1984). Voir par exemple l'introduction de [4]. Ces objets sont stables et pourraient constituer la matière noire. Le mécanisme de formation de ces objets est très délicat et il n'est pas évident qu'il puisse s'en former suffisamment dans l'Univers primordial.

Le passage de ces objets au travers de la Terre, la Lune ou des étoiles créérait des petits tremblements de Terre (ou de Lune, ou d'étoiles), ce qui fournit une manière originale de les mettre en évidence. Par exemple, les données sismologiques recueillies par les missions Apollo permettent de contraindre l'abondance de ces objets dans la gamme de masse 10 kg - 1 tonne à un dixième de la densité locale de matière noire autour du système solaire [5].

La mission Apollo 12. Cliquer ici pour une version en 3D...

Wimpzilla, particules supermassives, GUT

Dans le cadre des théories de grande unification apparaissent naturellement des particules très massives qui pourraient constituer la matière noire. Le nom "wimpzilla" a été proposé par Kolb, grand trouveur de noms rigolos (en plus d'être un grand chercheur), à l'époque de la sortie du film Godzilla, et ponctuait ses séminaires sur le sujet par des "size does matter"...

Cette solution a un gros avantage sur ses concurrentes : elle fournit une explication assez naturelle au problème des rayons cosmiques de Ultra Haute énergie.

E. Kolb, inventeur du terme "wimpzilla" et son inspiration...

La matière miroir

Dès le milieu des années 1950, il a été proposé qu'une éventuelle symétrie discrète (comme par exemple les réflexions d'espace dans lesquelles une coordonnée d'espace est changée en son opposée, comme dans l'image par un miroir) dans les  lois de la physique pourrait conduire à l'existence de nouvelles particules qui obéiraient à des lois similiares aux particules ordinaires, mais qui n'interagiraient que gravitationnellement avec ces dernières. L'Univers aurait deux faces, l'Univers que nous connaissons et un autre constitué de particules miroir. Ces dernière pourraient, vous l'avez compris, constituer la matière noire. Il suffirait pour cela que le monde miroir ait une température un peu inférieure à celle de notre monde; si bien que lors de l'évolution cosmologique des deux mondes, le découplage ait lieu d'abord dans le monde miroir. Les structures peuvent alors commencer à s'y former pour préparer le terrain à la matière ordinaire, d'une manière similaire à aux scénarios de WIMPS supersymétriques par exemple.

Précisons bien que cette matière-miroir n'a absolument rien à voir avec l'antimatière. En particulier, quand une particule rencontre sa particule miroir, il ne se passe pas grand-chose, contrairement au cas de l'antimatière. Précisons que la symétrie en question n'est pas nécessairement la réflexion d'espace.

Cette idée est aujourd'hui fortement associée au nom de Robert Foot, mais ce n'est pas la meilleur publicité qui peut lui être faite (à l'idée), du point de vue de l'auteur de ces pages (moi, donc) en tout cas. En effet, l'article de synthèse [6] que propose cet auteur contient quelques phrases beaucoup trop péremptoires et l'on finit par se demander qui l'auteur essaie de convaincre. Plusieurs résultats scientifiques qui sont actuellement chaudement discutés dans la communauté sont présentés comme indubitables et définitifs, en particulier quand ils permettent à l'auteur de les utiliser (exemples : les résultats de DAMA sur la détection directe, ou encore les profils de densité des halos galactiques venant des simulations numériques). Quelques autres affirmations douteuses ou erronnées (la R-parité aurait selon l'auteur été introduite en supersymétrie pour stabiliser la particule susy la plus légère) entretiennent ce doute. Dernière raison de ce méfier, ce monsieur essaie de vendre son livre et essaie de caser la matière miroir à toutes les sauces, de préférence assaisonées de sensationnel, de la physique des comètes à celle des impacts d'astéroïdes avec la Terre...

Le lecteur curieux trouvera des pistes plus objectives dans l'introduction de [7], par exemple, et une discussion plus ancienne dans [9].


Bibliographie

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