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La matière noire

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Détecter la matière noire : détection indirecte

Le principe

Si l'Univers est rempli de particules d'un type nouveau, des collisions ont lieu de temps en temps, et celles-ci peuvent conduire à des réactions qui les détruisent, des annihilations. Elles peuvent produire des particules dont on connait les propriétés, et qu'on sait détecter : des photons, des neutrinos, des électrons, des positrons, des protons et même des antiprotons ou des antinoyaux. Notons tout de suite que ces annihilations sont rares, si bien que la production de particules que nous évoquons ici est un phénomène marginal.

Il devrait tout de même exister, et on devrait voir apparaître de telles particules dans les régions de l'Univers où la matière noire est abondante. Plus précisément, ces endroits sont les centres de galaxies et les centres d'amas de galaxies, qui contiennent beaucoup de matière noire simplement parce que les galaxies se sont formées là où la matière noire était abondante ! Il devrait aussi y avoir une concentration de matière noire assez importante dans le Soleil et au cœur de la Terre, pour une raison différente : ces objets célestes peuvent capturer la matière noire ambiante dans leur champ de gravité. Enfin, si la matière noire se présente sous la forme de grumeaux, comme nous l'avons suggéré plus haut, ces grumeaux sont aussi des endroits où la concentration est particulièrement élevée.

La stratégie de détection indirecte consiste à observer ces endroits pour essayer de mettre en évidence un excès de particules... On se rend assez vite compte de la difficulté d'appliquer cette remarque pour mettre en évidence la matière noire : mettre en évidence la présence d'électrons dans le Soleil ou dans les galaxies n'a rien d'extraordinaire, c'est même très banal, et il faudra beaucoup de persuasion pour convaincre quiconque qu'ils proviennent d'annihilation de matière noire !

L'idée n'est pas stupide du tout cependant, car on peut s'intéresser à des particules qui sont a priori plus rares dans l'endroit qu'on observe. Considérons plusieurs cas spécifiques :

Neutrinos

On arrive maintenant à détecter des neutrinos de façon routinière, on a même pu reconstituer une image du Soleil à partir des neutrinos qu'on en reçoit.

Image du Soleil en neutrinos, par SuperKamiokande.


Mais il s'agit là de neutrinos de faible énergie, créés lors des réactions nucléaires ayant lieu au cœur du Soleil. La matière noire, par ses annihilations, pourrait être la source de neutrinos de plus haute énergie, qu'on pourrait détecter de manière différente : les neutrinos muoniques, lorsqu'ils traversent la Terre, pourraient se transformer en des muons. Ceux-ci, ultrarelativistes, donneraient lieu à une radiation Cerenkov qu'on pourrait observer et utiliser pour reconstituer les propriétés (direction, énergie) du neutrino initial. C'est le principe des télescopes à neutrinos tels qu'AMANDA et ANTARES. Par leur principe, ces neutrinos observent la portion du ciel située derrière la Terre, sous le sol, et non le ciel situé au-dessus comme en optique.


 

AMANDA au pôle sud, ANTARES en méditerranée. Des lignes de détecteurs sont placé dans un milieu transparent, la glace dans le premier cas, l'eau dans le second.

Il est très possible que le Soleil contienne en son coeur une quantité importante de particules de matière noire, qui auraient été capturées gravitationnellement. L'annihilation de ces particules pourrait alors être la source d'un excès d'émission de neutrinos. Les télescopes à neutrinos que nous venons d'évoquer pourraient permettre de confirmer ou d'infirmer cette hypothèse. On peut noter que l'on dispose de données de plus en plus précises sur la structure interne du soleil, grâce à l'étude de ses vibrations (l'héliosismologie). Ceci permet de mettre des contraintes encore plus fortes sur les candidats acceptables pour la matière noire [1].

   

Petite explication de l'héliosismologie, inspirée de cette excellente page. La première image représente la surface du Soleil, telle qu'on peut la voir avec un télescope en prenant les précautions d'usage. La surface est animée de mouvements de faible amplitude, des "tremblements de Soleil", dûs à la propagation d'ondes sismiques dans le soleil.. Ceci conduit à une des vibrations de la surface selon des motifs assez caractéristiques (seconde image), qui dépendent de la composition interne du soleil. En observant ces mouvements grâce à l'effet Doppler (image de droite) et en les décomposant selon les motifs précédents (on parle de modes de vibration), on obtient des informations sur la structure du Soleil.

La région centrale de notre galaxie pourrait aussi constituer une source importante de neutrinos si de la matière noire s'y trouve en grand nombre, comme on tend à le penser.


Photons gamma

Les annihilations de matière noire pourraient aussi donner des photons gamma de haute énergie. Les observations des grands téléscopes dédiés à l'observation dans le domaine gamma pourraient apporter des éléments de réponse importants...


 

Les quatre télescopes de HESS en Namibie et celui de 17 mètres de MAGIC

Les positrons

Les annihilations de particules de matière noire pourraient aussi produire des positrons, les antiparticules des électrons. Ces positrons sont assez facilement visibles dans la galaxie, car ils s'annihilent à leur tour lorqu'ils rencontrent des électrons, en produisant des photons d'énergie caractéristique (une raie d'annihilation à 511 keV). Cette raie d'annihilation est bien observée, et est même utilisée pour produire des cartes de positrons dans la galaxie (cf image). Ceux qui ne s'annihilent pas peuvent aussi être détectés directement dans des instruments en orbite (EGRET). Le but premier de ces instruments n'est pas de détecter la matière noire, mais (entre autres) de mesurer la quantité de positrons qu'on sait être présents, étant produits par les nombreux phénomènes très énergétiques dans la Galaxie. Il se trouve que ces deux instruments ont détecté des flux anormalement élevés de positrons. L'origine de cet excès de positrons n'est pas encore comprise, et l'hypothèse qu'ils sont dûs à des annihilations de matière noire reste débattue dans la communauté scientifique.


   

Instrument EGRET (à gauche) à bord du satellite CGRO (au milieu), et satellite INTEGRAL (à droite)


La carte des annihilations de positrons obtenue par analyse des données prises par le satellite INTEGRAL.


Les antiprotons et les antinoyaux

Comme pour les positrons, plusieurs expériences sont dédiées à l'étude des antiprotons cosmiques. Des mesures très précises de la quantité d'antiprotons au-dessus de l'atmosphère terrestre ont été effectuées par l'expérience BESS, ainsi que lors du vol-test de l'expérience AMS à bord de la navette spatiale en 2002. Les mesures actuelles sont tout à fait en accord avec les quantités prédites par les modèles décrivant la production de ces antiprotons. Ceci signifie que s'il existe une contribution venant de la matière noire, elle doit être suffisamment faible pour ne pas entrer en compétition avec la contribution "standard". Cette non-observation, si l'on peut dire, permet de mettre des contraintes sur les propriétés de la matière noire, en excluant les modèles qui conduiraient à une production trop importante d'antiprotons. Des études similaires sont faites pour des antinoyaux plus lourds, principalement l'antideuterium, qui a aussi été bien observé par AMS.


 

Dessin de l'expérience AMS-01 à bord de la navette spatiale pour le vol-test en 1998 (à gauche) et position finale de AMS-02 sur la station spatiale internationale (date non déterminée, retard dû à la suspension des vols des navettes spatiales).

Les rayons cosmiques de haute énergie

on observe un excès de particule chargées de haute énergie par rapport aux attentes théoriques. La nature de ces particules chargées n'est pas connue, il pourrait s'agir de protons, mais aussi d'autres choses. Plusieurs expériences sont dédiées à l'observation à grande échelle de ces rayons cosmiques, dans le but de comprendre leur composition, leur origine, et peut-être leur relation avec la matière noire.


Vue d'une cuve de l'expérience Auger dans la Pampa argentine...


Pour le moment, aucune de tous ces expériences n'a permis de détecter avec certitude un signal qui ne pouvait provenir que de matière noire.



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Bibliographie

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