04 Décembre 2019  |  Astrophysique
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 10/2019

Les candidats à la matière noire – les particules hypothétiques

Michel Giannoni

L’infiniment petit et l’infiniment grand ne cessent de nous interpeller. Après la découverte du boson de Higgs en 2012 et des ondes gravitationnelles en 2015, trois grandes énigmes résistent toujours à la perspicacité des chercheurs: l’union de la mécanique quantique et de la relativité générale, la nature de l’énergie sombre et celle de la matière noire. C’est cette dernière que les physiciens semblent le plus près de résoudre. Cet article présente un inventaire des particules candidates à la solution de cette énigme. Des hypothèses alternatives seront décrites dans un prochain article.

Il a fallu un demi-siècle de recherche pour aboutir à la découverte du boson de Higgs, découverte qui avait été prédite en 1964 par plusieurs équipes de physiciens, dont celle de Peter Higgs. Lors d’une annonce officielle très attendue, le 4 juillet 2012, le CERN confirma l’existence – avec un degré de confiance de 5 σ(correspondant à 99,99997 %) – d’une particule dans une plage de masse de 125 à 126 GeV, compatible avec celle du boson de Higgs. Et c’est le 28 août 2018 que les physiciens du CERN annoncèrent avoir détecté la désintégration du fameux boson en une paire de quarks bottom, compatible avec le modèle standard des particules.
 
Selon les modèles de formation et d’évolution des galaxies, ainsi que les modèles cosmologiques, l’Univers serait formé de seulement 4 % environ de matière ordinaire, dont 0,4 % d’étoiles et planètes et 3,6 % de gaz, de 23 % environ de matière noire et de quelque 73 % d’énergie sombre.
 
 
Après la découverte du boson de Higgs, celle des ondes gravitationnelles
C’est en 1916 qu’Albert Einstein avait prédit, dans la théorie de la relativité générale qu’il venait de publier, l’existence des ondes gravitationnelles. Et c’est un siècle plus tard que l’existence de ces ondes est confirmée. Cette découverte ouvre un champ nouveau d’observation de l’Univers à grande échelle. En revanche, elle laisse encore ouverte la question de l’existence du graviton, une particule hypothétiques associée aux ondes gravitationnelles, tout comme le photon est associé aux ondes électromagnétiques.
Le 14 septembre 2015, les chercheurs des deux interféromètres LIGO, situés dans l’État de Washington et en Louisiane, annoncèrent avoir détecté directement des ondes gravitationnelles. Cette annonce a été confirmée officiellement le 11 février 2016. Les ondes observées ont été produites par la coalescence de deux trous noirs, situés à 1,3 milliard d’années-lumière de la Terre. Le phénomène a été observé une deuxième fois en décembre 2015 et depuis quatre ans, neuf événements de ce type ont été révélés. Ces découvertes représenteraient aussi la première preuve directe de l’existence des trous noirs.
 
La traque de la matière noire n’a encore réussi à détecter aucune des particules qui la constitueraient.
 
 
Et maintenant, sus à la matière noire…
En 1933, l’astronome suisse Fritz Zwicky, en étudiant un petit groupe de sept galaxies dans l’amas de la Chevelure de Bérénice, observa que leur masse mesurée grâce aux effets gravitationnels qu’elle engendre (masse lumineuse), ne correspond pas à la masse calculée selon les lois de Newton (masse dynamique), celle-ci étant en effet 400 fois plus importante que la masse lumineuse. Il existe donc une matière cachée quelque part dans l’Univers. Jusqu’à ce jour, de nombreuses autres études ont confirmé la réalité de cette masse manquante, mais à l’heure de l’écriture de ces lignes, sa nature reste inexpliquée.
Pour effectuer leurs recherches, les astrophysiciens se sont d’abord tournés vers la matière ordinaire. Ils ont passé en revue tous les types d’objets qui pourraient expliquer ce champ gravitationnel, tels que les nuages de gaz, les astres morts ou les trous noirs. Mais on sait aujourd’hui que les particules hypothétiques de matière noire n’appartiennent pas au modèle standard de la physique de particules, qui décrit les constituants élémentaires de la matière ainsi que les interactions fondamentales. Ces particules doivent être suffisamment massives pour agir par gravitation, mais n’interagir que très peu avec la matière ordinaire, uniquement par l’interaction nucléaire faible. Les physiciens ont alors développé un modèle de supersymétrie, dans lequel chaque particule du modèle standard serait associée à une autre particule, dite supersymétrique. Et c’est dans cette direction qu’il faudrait chercher.
Actuellement, l’hypothèse la plus communément acceptée par la communauté scientifique est donc l’existence de particules inconnues, qui n’émettent pas d’ondes électromagnétiques mais produisent des effets gravitationnels. Voici quelques-unes de ces hypothèses.
 
La traque de la matière noire n’a encore réussi à détecter aucune des particules qui la constitueraient.
 
 
Les WIMP
Les WIMP (Weakly Interactive Massive Particles), une classe de particules hypothétiques interagissant faiblement avec la matière, figurent parmi les meilleurs candidats à la matière noire, d’autant plus que la théorie prédit qu’elles ont été créées lors du Big Bang et qu’elles contribuent à expliquer la structure de l’Univers. Les WIMP seraient plus massives que toutes les particules connues à ce jour, avec lesquelles elles pourraient réagir via la force de gravité et la force nucléaire faible, mais pas avec la force électromagnétique – d’où la difficulté à les déceler.
La collaboration internationale Xenon IT, enterrée sous le massif italien du Gran Sasso, dispose de l’expérience la plus sensible au monde dédiée à la recherche des WIMP. Mais d’autres expériences tentent de traquer cette particule fantôme. Parmi elles on peut citer PandaX-xT en Chine, Darkside, une collaboration internationale d’universités et de laboratoires, ADMX, Haystac à l’université de Yale, Casper à Boston et à Mayence, Capp en Corée du Sud, Organ en Australie, ainsi que le projet européen DARWIN.
Diverses théories ayant pour objectif de corriger certaines imperfections du modèle standard des particules, prédisent différents types de WIMP. En font partie le neutralino, la particule de Kaluza-Klein et la particule du «petit Higgs».
Le neutralinoest la plus légère et la plus stable d’une série de particules prédites par la théorie de la supersymétrie – une extension du modèle standard de la physique des particules. Le LHC n’a toutefois encore jamais pu le détecter.
La particule de Kaluza-Kleinest uneparticule hypothétique prédite par une extension du modèle standard de la physique de particules, dans laquelle l’Univers possèderait des dimensions supplémentaires. Elle est également un bon candidat à la matière noire.
La particule du «petit Higgs»est une autre particule lourde qui, associée à certaines particules connues, pourrait expliquer la nature de la matière noire.
 
Le satellite chinois Dampe (ou Wukong, célèbre singe roi de la culture chinoise) suit une piste qui pourrait prouver l’existence de la matière noire.
 

L’axion
Imaginé par les physiciens Roberto Peccei, Helen Quinn, Steven Weinberg et Franck Wilezek pour expliquer pourquoi la matière l’a emporté sur l’antimatière, l’axion est une autre particule hypothétique réagissant très peu avec la matière ordinaire. Et ses propriétés sont compatibles avec ce que l’on observe dans l’Univers.
Mille fois plus légère que le WIMP – la masse de l’axion serait de l’ordre du microélectronvolt, alors que celle des WIMP atteint le gigaélectronvolt –, elle serait sa principale concurrente qui constituerait la matière noire. Des expériences espèrent la détecter, comme ADMX (Axion Dark Matter Experiment) à l’université de Washington, qui vient d’atteindre une sensibilité suffisante pour en tester les modèles les plus vraisemblables. Au contact d’un champ magnétique, l’axion se transforme en photon, une particule facile à détecter.
Des calculs théoriques ont permis à des physiciens hongrois et allemands de prédire quelle devrait être la masse de l’axion. En plus de fournir une méthode de calcul performante pour étudier l’évolution de l’Univers primordial via son équation d’état, ils ont trouvé que la masse des axions ne peut être comprise qu’entre 50 µeV et 1,5 meV.
 
Les axions interagissent avec le champ magnétique terrestre, ce qui provoque un excès de rayons X qui, eux, sont faciles à détecter.
 
 
La particule scalaire
Pour certains chercheurs, la particule scalaire serait également un candidat possible. Plus légère que l’axion, elle aurait pour caractéristique, en traversant une horloge atomique, de faire varier la fréquence des photons émis par ses atomes. Les horloges atomiques pourraient ainsi être utilisées pour traquer la matière noire. Pour tenter de trouver cette particule scalaire, un réseau s’est constitué associant des horloges atomiques de l’Observatoire de Paris à d’autres situées en Allemagne, en Pologne, aux États-Unis, au Royaume-Uni et au Japon.
 
Le neutrino stérile
À la suite de l’observation d’une anomalie sur les flux de neutrinos de réacteurs nucléaires, une hypothèse a vu le jour, prévoyant de nouvelles saveurs de neutrinos, s’ajoutant aux trois saveurs connues. Ces nouveaux venus, appelés neutrinos stériles, auraient une masse beaucoup plus importante que les neutrinos classiques et n’auraient aucune interaction physique – hormis la gravitation – avec la matière ordinaire.
 
Les axions interagissent avec le champ magnétique terrestre, ce qui provoque un excès de rayons X qui, eux, sont faciles à détecter.
 
 
Le wimpzilla
Il s’agit d’une particule superlourde qui apparaît dans les équations des théoriciens qui tentent d’unifier les quatre forces fondamentales régissant l’Univers (forces électromagnétique, nucléaire forte, nucléaire faible et gravitation).
 
La particule LSP
La LSP (Lightest Supersymmetric Particle) est la particule supersymétrique la plus légère de toutes, mais sa nature reste encore mystérieuse. Elle est stable, car elle ne peut se désintégrer en un élément plus léger. Très abondante dans l’Univers, exempte de charge électrique et uniquement sensible à l’interaction faible, elle constitue à ce titre un excellent candidat à la matière noire.
 
Les MACHO
Les MACHO (Massive Compact Halo Objects) sont des objets compacts n’émettant pas de rayonnement ou trop peu pour être détecté. Ils peuvent être constitués de planètes flottantes (n’orbitant pas autour d’une étoile), de naines brunes (astres qui n’atteignent pas le stade d’étoile car pas suffisamment massifs), de naines blanches (étoiles mortes composées d’éléments lourds), ou encore de très faibles étoiles, d’étoiles à neutrons, voire de trous noirs stellaires. Ces astres ne seraient toutefois pas assez nombreux pour constituer l’ensemble de la matière noire.
 
L’installation XENON-1T dans la halle souterraine du Laboratoire national du Gran Sasso en Italie. Le bâtiment de trois étages sur la droite abrite divers systèmes auxiliaires. Le cryostat contenant le détecteur LXeTPC est situé à l’intérieur du grand réservoir d’eau sur la gauche, à côté du bâtiment. (© Roberto Corrieri et Patrick De Perio)
 
 
Les trous noirs primordiaux
Pour certains chercheurs, la matière noire se trouverait tout simplement dans des trous noirs primordiaux. Il s’agirait d’une variété de trou noir – encore hypothétique – formée au moment du Big Bang et non pas par l’effondrement d’une étoile. Depuis la découverte des ondes gravitationnelles et de l’existence de trous noirs de quelques dizaines de masse solaire, les scientifiques pensent qu’ils pourraient être de bons candidats. Toutefois, des mesures effectuées en 2019, tirant partie de la présence de la sonde Voyager 1 en dehors de l’héliosphère, ont permis de montrer que les trous noirs primordiaux d’une masse inférieure à 1017 g ne peuvent représenter, s’ils existent, que 0,1 % au plus de la matière noire présente dans la Voie lactée.
 
Les nuages de gaz
Dans les années 1990, des cartographies précises des sources d’émission de rayons X dans l’Univers, obtenues grâce au satellite Rosat, ont mis en évidence la présence de gigantesques nuages de gaz ionisé au sein des amas de galaxies, des nuages n’émettant pas de lumière visible. Ils ont cependant été exclus de la liste des prétendants à la matière noire.
 
Des particules de masse négative
En physique théorique, la masse négative est un concept postulant l’existence de masse de charge négative, tout comme il existe des charges électriques positives et négatives ou des aimants ayant des pôles nord et sud. Jamie Farnes, de l’Oxford e-Research Centre, pense que de telles masses pourraient remplacer les concepts de matière noire et surtout d’énergie sombre, tout en résolvant certains problèmes de la cosmologie. Les masses négatives n’auraient rien à voir avec l’antimatière. Elles seraient liées à une antigravité, la matière n’étant alors plus constituée que de particules qui ne pourraient pas s’attirer pour constituer des corps.
 
Le Projet DARWIN
Le projet DARWIN regroupe plusieurs groupes européens et américains impliqués dans les collaborations XENON et DARKSIDE. Il a pour but d’effectuer les études nécessaires à la réalisation de détecteurs de grande capacité à l’argon ou au xénon liquide pour détecter directement de la matière noire grâce à une sensibilité de trois ordres de grandeur en dessous de celle des expériences actuelles. Un tel détecteur permettrait non seulement de découvrir la nature de la matière noire, il pourrait également permettre d’étudier ses propriétés.


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