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La recherche de la matière noire est-elle actuellement dans une impasse ? Cette matière noire représente près de 25 % du contenu de l’Univers, soit cinq fois plus que la matière ordinaire, et pourtant aucune expérience n’a encore réussi à la mettre en évidence. Il est cependant difficile d’imaginer le cosmos sans elle, car celle-ci est un ingrédient indispensable pour expliquer la dynamique des galaxies, la formation des grandes structures (filaments de gaz, superamas de galaxies, etc.) et certaines caractéristiques du rayonnement émis dans l’Univers primordial. Les différentes observations cosmologiques imposent d’ailleurs des contraintes sur ses propriétés et, en particulier, pointent plutôt vers ce qu’on nomme de la « matière noire froide », c’est-à-dire des particules qui se déplacent à des vitesses relativement faibles. Jusqu’à présent, les physiciens pensaient que cela impliquait que cette matière émergeait déjà froide du plasma primordial. Or Yann Mambrini, de l’IJCLab et de l’université Paris-Saclay, et ses collègues viennent de montrer que cela n’est pas nécessairement le cas. Ils ouvrent ainsi le champ des possibles.
La difficulté pour traquer la matière noire est que sa nature reste inconnue à ce jour, même si les théoriciens ont imaginé pléthore de candidats. Parmi ces derniers, les efforts se sont concentrés sur une poignée, dont le wimp (weakly interacting massive particle), qui regroupe toute une classe de particules ayant en commun d’avoir une masse assez importante (typiquement une centaine de fois celle du proton) et interagissant faiblement avec la matière ordinaire, mais assez pour espérer voir sa trace dans des expériences ad hoc.
Du paradigme wimp à ses limites
Par exemple, les expériences dites de « détection directe » reposent sur un principe simple. Elles sont constituées d’un grand volume de matériau pur (comme du xénon liquide) entouré de capteurs ultrasensibles qui sont capables de repérer la collision d’un wimp et d’un atome dans le dispositif. Depuis les premières tentatives datant de la fin des années 1980, les générations d’expériences toujours plus sensibles se sont succédé, mais aucun signal n’a été enregistré… de quoi s’interroger sur les hypothèses concernant le wimp.
Aux États-Unis, tous les dix ans, la communauté de la physique des particules et de la cosmologie se réunit dans le cadre du programme Snowmass pour réfléchir au futur de son domaine de recherche. En 2022, pour ce qui concerne la matière noire, les scientifiques ont conclu qu’il était important de poursuivre l’exploration du scénario wimp et d’un autre candidat majeur, l’axion. Cependant, ils ont aussi souligné qu’il fallait ouvrir l’effort de recherche à d’autres perspectives. C’est dans ce contexte que Yann Mambrini et ses collègues invitent à revoir certaines hypothèses sur la matière noire et en particulier sur sa formation dans l’Univers primordial.
Les physiciens n’ont pas attendu les conclusions du Snowmass pour explorer des pistes différentes du wimp. Ils en ont étudié bien d’autres. Par exemple, le fimp (feebly interacting massive particle) est une particule qui interagit encore moins avec la matière ordinaire et ne laisse donc aucun espoir de détection.
Est-il possible de trouver une voie intermédiaire entre les wimps et le cas extrême des fimps ? Le neutrino est l’exemple typique de cette idée. Mais l’hypothèse d’un neutrino candidat à la matière noire a été écartée il y a plus de quarante ans. Pourquoi ? Parce que cette particule légère se déplace dans l’Univers à des vitesses proches de celle de la lumière et cela a de nombreuses conséquences. Par exemple, les grandes structures que l’on observe dans l’Univers sont nées là où des surdensités de matière noire ont attiré la matière ordinaire. Mais avec un neutrino ultrarelativiste (c’est-à-dire approchant la vitesse de la lumière), ces régions auraient été si diffuses que les structures n’auraient pas réussi à se former. On a donc longtemps pensé que des particules ultrarelativistes (on parle de « matière noire chaude ») ne peuvent pas être de bonnes candidates pour la matière noire, qui doit être froide, comme le wimp.
Or, Yann Mambrini et ses deux collègues, Stephen Henrich et Keith Olive, de l’université du Minnesota, aux États-Unis, suggèrent que la situation n’est pas aussi simple. Pour comprendre leurs arguments, il faut se plonger dans l’Univers primordial…
Le modèle du Big Bang, qui décrit l’histoire de l’Univers, commence par une phase d’expansion violente et exponentielle, l’inflation, qui a duré une fraction de seconde mais a multiplié les distances par un facteur gigantesque. Pour expliquer cette dynamique, les physiciens font appel à un champ quantique (encore hypothétique). Et, de la même façon que le champ électromagnétique est associé à une particule, le photon, ce champ responsable de l’inflation est doté d’une autre, l’inflaton. Selon le scénario inflationnaire, ce dernier a eu une durée de vie courte et a commencé à se désintégrer, ce qui a mis fin à la phase d’inflation. Cet inflaton s’est désintégré en toutes les particules que nous connaissons et a ainsi rempli l’Univers d’une soupe très chaude de particules interagissant frénétiquement les unes avec les autres. C’est la période de réchauffement post-inflationnaire.
Cependant, même si le rythme était beaucoup plus lent que pendant l’inflation, l’Univers a continué son expansion et, par conséquent, le plasma s’est refroidi. Cela a influé sur les probabilités d’interaction (de création ou de destruction) des différentes particules dans le plasma. Par exemple, si des wimps étaient présents, il y a eu un moment où ils n’ont presque plus interagi avec les autres particules : la quantité de ceux-là s’est alors figée, car il n’y avait plus de mécanismes de production ou de destruction efficaces. On parle de « gel » (ou de freeze-out en anglais). Or, comme ces wimps sont relativement lourds, ils avaient des vitesses faibles quand ils se sont découplés du plasma. Ils ont formé de la matière noire froide. Les neutrinos, eux, se sont séparés du plasma alors qu’ils étaient encore ultrarelativistes. Et si des fimps existent, ils n’ont jamais été en équilibre thermique avec le plasma, leur abondance s’est établie grâce à des processus de production extrêmement rares, on parle de freeze-in.
Une hypothèse implicite remise en cause
Yann Mambrini et ses collègues argumentent que dans ces scénarios une hypothèse est implicite : la période de réchauffement post-inflationnaire n’aurait pas influé sur la vitesse des candidats à la matière noire, comme si elle avait été instantanée et qu’elle avait précédé tout découplage. Mais les trois physiciens se sont alors demandé ce qui se passerait si les particules de matière noire se séparaient du plasma alors que la phase de réchauffement n’était pas terminée. Grâce à leurs calculs, ils ont montré que des candidats à la matière noire comparables à des neutrinos et se découplant pendant le réchauffement post-inflationnaire seraient initialement ultrarelativistes, mais subiraient un effet de dilution pendant le reste de la phase de réchauffement et deviendraient alors non relativistes… on obtiendrait in fine de la matière noire froide, compatible avec les observations sur les grandes structures. Les trois chercheurs ont nommé ce scénario « UFO » pour ultrarelativistic freeze-out ! Et en fonction de la masse de la particule et de la température maximale atteinte pendant le réchauffement, il serait possible d’avoir la bonne densité de matière noire dans l’Univers.
Peut-on détecter ce type de matière noire et ainsi tester le mécanisme UFO ? « Ces scénarios prévoient des particules de matière noire très légères avec des masses inférieures au gigaélectronvolt », souligne Yann Mambrini, qui explore dans son livre La Nouvelle Physique (Albin Michel, 2024) les théories au-delà du modèle standard de la physique des particules et de celui de la cosmologie. « Les collisions de ces particules légères ne sont donc pas assez énergétiques pour déclencher une ionisation des atomes dans les expériences de détection directe. Mais d’autres projets utilisent des technologies différentes, sensibles à des collisions avec les électrons, ce qui permet de sonder des masses comprises entre le kiloélectronvolt et le mégaélectronvolt. C’est la piste suivie par les expériences Sensei, au Fermilab, ou Damic-M, à laquelle participent des équipes de l’IJCLab, du LPNHE, à Paris, et de Subatech, à Nantes. »
Avec leur résultat, Yann Mambrini et ses collègues élargissent la fenêtre des possibilités pour les candidats à la matière noire qui n’entreraient pas en conflit avec la formation des grandes structures. Ils veulent maintenant voir comment leur scénario peut avoir un effet sur une des autres grandes questions de la cosmologie : « l’asymétrie matière-antimatière » ou pourquoi l’Univers contient de la matière et non de l’antimatière, ou rien !
