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La matière noire

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Les candidats de la physique des particules

La physique des particules décrit les phénomènes élémentaires de la nature. Tout les phénomènes que l'on observe se décrivent par des champs quantiques qui ont des propriétés peu intuitives, ayant des caractéristiques que l'on attribuerait à des ondes et d'autres que l'on attribuerait à des particules. La théorie qui décrit ces phénomènes est appelée théorie quantique des champs.

En fait, avoir une théorie n'est pas suffisant. Pour s'en convaincre, revenons à la mécanique classique. Cette théorie indique la manière dont un corps est mis en mouvement, en fonction des forces auxquelles il est soumis. Elle ne dit rien sur ce que sont ces forces, et pour comprendre le mouvement des planètes, il faut en plus supposer que la loi d'attraction gravitationnelle a une forme particulière. C'est la même chose en physique des particules, et on doit faire des hypothèses sur les interactions entre les particules. Les physiciens aiment baser ces hypothèses sur des arguments de symétrie, et il se trouve que des symétries simples conduisent à un modèle qui rend bien compte des phénomènes observés, en particulier dans le domaine des hautes énergies; on l'appelle Modèle Standard de la Physique des Particules. Cette approche a conduit à l'unification de l'interaction faible et de l'interaction électromagnétique.

Malgré ses succès, ce modèle standard n'explique pas tout. Par exemple, il ne permet pas de comprendre pourquoi l'Univers que l'on observe est fait de matière sans contrepartie notable en antimatière (dont pourtant il prédit l'existence et décrit très bien les propriétés observées expérimentalement), ni pourquoi toutes les particules connues ont des charges électriques qui sont des multiples entiers d'une charge élémentaire, pour ne citer que quelques exemples. Ceci conduit les chercheurs à penser qu'il existe un modèle plus complet, peut-être basé sur une théorie elle aussi plus complète, qui fournit ces explications. De telles extensions du modèle standard ont été proposées, notamment

Ces pistes sont encore seulement théoriques, dans le sens qu'aucune d'entre elles n'est appuyée par une confirmation expérimentale. Il faut aussi souligner que même au niveau purement théorique, il reste encore des problèmes de cohérence et des obstacles conceptuels. Ces théories prédisent l'existence de nouvelles particules :

D'autres théories, invoquées pour répondre à des impératifs divers et variés, amènent leur bataillon de nouvelles particules
  • axions
  • neutrinos lourds
  • Q-balls
  • wimpzillas, cryptons,... (ces noms sont mentionnés pour exciter la curiosité du lecteur. Les physiciens sont très joueurs, et consacrent une part non négligeable de leur imagination à inventer des noms aux nouveaux objets qu'ils inventent ou découvrent...)
  • La plupart de ces particules sont instables et se désintègrent spontanément en d'autres particules. Toutefois, certaines peuvent être stables (ou du moins avoir un temps de vie très long). Si une telle nouvelle particule stable peut exister, et si elle a pu être créée à un quelconque moment du passé de l'Univers, alors on peut imaginer que l'Univers actuel en soit rempli et que cette particule constitue la matière noire.

    Pour résumer ce tableau compliqué, disons que ça arrangerait bien les physiciens des particules si une théorie venait remplacer ou compléter le modèle standard, et cela arrangerait bien les astrophysiciens aussi car de nouvelles particules pourraient alors constituer la matière noire.  Examinons plus en détail un exemple particulier de cette liste : le neutralino.

    Les neutralinos : matière noire "froide"

    Parmi les candidats apportés par la physique des particules, le neutralino joue un rôle assez important. Il s'agit d'une particule nouvelle introduite par la supersymétrie. Elle est neutre, elle est stable dans certaines versions de la supersymétrie, et elle pourrait constituer la matière noire. Précisons ce dernier point : les propriétés qui importent pour déterminer si une particule peut constituer la matière noire sont sa masse et sa section efficace (sa capacité à réagir avec une autre particule quand on les met ensemble).

    Commençons par détailler l'importance de la masse : plus une particule est massive, moins sa vitesse est élevée pour une énergie donnée. Ceci implique qu'à tout moment lors de l'évolution cosmologique, les particules très légères sont relativistes alors que les plus lourdes ne le sont plus. Or, au moment où les fluctuations de densité commencent à s'effondrer sur elles-mêmes pour former ce qui deviendra plus tard les premières grandes structures cosmiques (galaxies, amas de galaxies et superamas), la situation est complètement différente si les particules de matière noire sont relativistes ou pas.

    En ce qui concerne la section efficace, c'est aussi une quantité cruciale, car elle détermine la quantité de particules qui peuvent survivre aux nombreuses réactions qui tendent à diminuer leur densité lors de l'expansion cosmologique. Le neutralino est à cet égard assez remarquable, car la physique des particules fournit une gamme de sections efficaces (et non pas une seule section efficace, malheureusement) qui  conduit à des densités reliques (c'est le terme usuel pour la densité de particules survivantes) correspondant en gros à la densité de la matière noire. C'est très encourageant et l'hypothèse du neutralino compte parmi les favoris des astrophysiciens. Un point moins encourageant est que l'on est confronté ici à un certain paradoxe : pour qu'une particule soit abondante dans l'univers aujourd'hui, il ne faut pas que sa section efficace soit trop grande, il faut donc qu'elle soit assez peu réactive. Comme c'est par leurs réactions qu'on détecte les particules, ceci implique qu'elle sera plus difficile à détecter !

    Notons pour finir que les calculs de densité relique permettent déjà d'exclure certaines propositions de solution au problème de la matière noire. En effet, certaines particules seraient dotées de sections efficaces trop petites, et leur densité relique aujourd'hui serait bien plus grande que la densité totale de l'Univers, ce qui n'est pas acceptable. On peut donc éliminer ce particules de la liste des candidats. Ceci permet par exemple d'exclure certaines valeurs des paramètres de la supersymétrie, pour lesquelles le neutralino serait beaucoup trop abondant aujourd'hui. En particulier les masses trop élevées sont exclues pour les neutralinos, ce qui indique que si la supersymétrie est réalisée dans la nature, elle devrait, expérimentalement parlant, être à portée de main ou au moins d'accélérateur !


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