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La matière noire serait constituée de particules ultramassives ?

Le boson de Brout-Englert-Higgs a des caractéristiques qui rendent problématique la découverte de la matière noire à basses énergies. Alors, doit-on la chercher dans des particules très lourdes, sortes de mini-trous noirs, ayant presque la masse de Planck ? Si tel est le cas, la trace des ondes gravitationnelles du Big Bang dans le rayonnement fossile devrait être bientôt détectable. C'est l'hypothèse de certains théoriciens.

Carte des fluctuations de la température du rayonnement fossile d’après les données de toute la mission Planck. L’unité, en millionième de degré, est l’écart à la température moyenne de 2,7255 kelvins issue des premières observations du rayonnement fossile avec la mission Cobe au début des années 1990. © Esa, collaboration Planck Carte des fluctuations de la température du rayonnement fossile d’après les données de toute la mission Planck. L’unité, en millionième de degré, est l’écart à la température moyenne de 2,7255 kelvins issue des premières observations du rayonnement fossile avec la mission Cobe au début des années 1990. © Esa, collaboration Planck

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Planck CMB ESA

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Le mécanisme de Brout-Englert-Higgs qui dote certaines des particules du modèle standard de masse à l’aide du champ du même nom s’est révélé être un grand succès théorique et expérimental, notamment parce qu’il a permis de prédire l’existence du boson de Brout-Englert-Higgs (BEH), découvert par la suite au LHC. Mais il rend le modèle standard problématique quand on cherche à le plonger dans des théories plus larges comme les Théories de Grande Unification (ou GUT en anglais), et surtout des théories de gravitation quantique. Les corrections quantiques apportées par ces théories au-delà du modèle standard ont fortement tendance à modifier les caractéristiques du boson BEH de sorte que plusieurs effets à basses énergies du modèle standard devraient en fait se produire à des énergies très élevées, de l’ordre de celles des GUT ou de la gravitation quantique, c'est-à-dire en particulier celle, énorme, de la masse de Planck : 1016 TeV.

Pour expliquer ce désaccord avec l’expérience, les chercheurs avaient été conduits à introduire des théories supersymétriques ou mieux, des dimensions spatiales supplémentaires conduisant à faire considérablement baisser la masse de Planck. On s’attendait donc à voir une pléthore de nouvelles particules lors du premier run du LHC avec des collisions à des énergies de quelques TeV, voire des minitrous noirs.

Une matière noire issue de la physique de l'échelle de Planck

Il n’en a rien été. Pire, la masse du boson de BEH s’est révélée être suffisamment faible pour que les corrections quantiques potentielles introduites par une physique au-delà du modèle électrofaible soient négligeables dans des expériences menées. Dans ce cas, aucune nouvelle particule ne pourrait apparaître dans des accélérateurs restant en dessous des énergies comprises entre 1012 TeV (celle des GUT) et la masse de Planck. Autant dire jamais car des accélérateurs suffisamment puissants seraient de la taille de la Voie lactée.

Cette dernière éventualité est particulièrement désagréable pour ceux qui pensaient découvrir les particules de matière noire avec le LHC ou ses successeurs. Un article déposé sur arXiv par un groupe de théoriciens explore les conséquences de l’hypothèse qui veut que ces particules soient bien plus massives que celles généralement considérées, par exemple des Wimp. Les nouvelles particules de matière noire, que les chercheurs ont baptisées PIDM, pour Planckian interacting dark matter, c'est-à-dire de la matière noire planckienne, résulteraient d'une nouvelle physique émergeant entre 1012 et 1016 TeV. Elles posséderaient donc des masses proches ou égales à l’échelle de Planck.

Moisey Alexandrovich Markov (1908-1994) était un physicien théoricien russe marquant dont les travaux portaient aussi sur la physique des particules élémentaires et ses relations avec l'astrophysique. Il est le premier à avoir suggérer d'étudier les neutrinos cosmiques avec des détecteurs sous l'eau.
Moisey Alexandrovich Markov (1908-1994) était un physicien théoricien russe marquant dont les travaux portaient aussi sur la physique des particules élémentaires et ses relations avec l'astrophysique. Il est le premier à avoir suggéré d'étudier les neutrinos cosmiques avec des détecteurs installés sous l'eau. © Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences

Une prédiction testable dans le rayonnement fossile

Cette idée fait penser aux maximons et aux friedmons, des objets postulés dans les années 1960 et 1970 par Moisey Alexandrovich Markov et Valeri Frolov. Les maximons sont censés être les plus petits trous noirs neutres possibles et ils auraient donc la masse de Planck. Ils pourraient représenter le stade terminal de l’évaporation des trous noirs par effet Hawking mais cette hypothèse n’est pas sans soulever des problèmes. Quant aux friedmons, ce sont des trous noirs chargés, dits extrêmes, les plus petits qui puissent rester stables. En effet, de tels trous noirs ne peuvent s’évaporer par effet Hawking et ne peuvent pas non plus se décharger électriquement si leur charge est inférieure à 137 fois la charge électrique élémentaire. De tels trous noirs chargés ne semblent toutefois pas pouvoir être de la matière noire puisqu'ils émettent de la lumière.

On peut toutefois penser que des objets similaires aux maximons et aux friedmons dans le cadre des théories de gravitation quantique, par exemple avec la supergravité, pourraient constituer de la PIDM. Ce ne serait en tout cas pas des minitrous noirs produits par les fluctuations de densité primordiales mais bien des particules créées à haute température, comme les quarks et les leptons. Un bon candidat serait un graviton massif de Kaluza-Klein.

Mais pour qu’il en soit ainsi, il faudrait qu’il soit produit après l’hypothétique phase d’inflation introduite en cosmologie pour résoudre certaines énigmes du Big Bang. Elle aurait dû se produire à des énergies plus élevées que celles généralement considérées et elle aurait conduit à une production conséquente d’ondes gravitationnelles détectables sous forme de modes B dans le rayonnement fossile. Surtout, selon les chercheurs, la PIDM ne peut expliquer la matière noire que si ces ondes ont été d’une intensité suffisamment forte pour être détectables par les expériences de nouvelle génération en cours de développement.

Si les modes B ne sont pas détectés dans un avenir proche, il faudra abandonner l’hypothèse de la PIDM.

À découvrir en vidéo autour de ce sujet :


Où en est la recherche sur la matière noire et l’énergie sombre ? Cette composante de l’univers jusqu’à présent invisible pourrait bien être mise à nu au cours de cette année, comme vous pourrez le découvrir durant cette vidéo.


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