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Matière noire (1/2) : un bilan de sa chasse avec Richard Taillet

En avril 2012, des astronomes de l’ESO avaient remis en cause la présence de la matière noire autour du Soleil, ébranlant les fondements de la cosmologie. La théorie alternative à celle de la matière noire, Mond, n’en sortait pas renforcée non plus. Il s’agissait en fait d’une erreur. Après avoir fait le point sur la théorie Mond, Futura-Sciences a demandé à Richard Taillet, physicien au LAPTH, où en est la chasse aux particules de matière noire. Voici ses réponses en deux parties.

Les observations des courbes de vitesse de révolution v(r) des étoiles autour du centre de leur galaxie à une distance r montrent qu'elles tournent trop vite si on se base sur la loi de la gravitation de Newton ou sur la masse déduite de la luminosité des galaxies. C'est l'une des preuves de l'existence de la matière noire. © Gianfranco Bertone Les observations des courbes de vitesse de révolution v(r) des étoiles autour du centre de leur galaxie à une distance r montrent qu'elles tournent trop vite si on se base sur la loi de la gravitation de Newton ou sur la masse déduite de la luminosité des galaxies. C'est l'une des preuves de l'existence de la matière noire. © Gianfranco Bertone

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De nombreuses preuves de la présence de la matière noire sont issues de l'observation des amas de galaxies, de la naissance et de la formation des grandes structures dans le cosmos observable, ainsi que des caractéristiques du rayonnement fossile. En revanche, au niveau des galaxies, comme nous l’a expliqué Benoît Famey, il semble que l’alternative au modèle de la matière noire froide (en anglais cold dark matter ou CDM), la théorie Mond, soit à prendre au sérieux de façon incontournable lorsque l'on cherche à décrire les mouvements des étoiles.

Le modèle CDM et la théorie Mond sont peut-être tous les deux dans le vrai, par exemple parce que les particules de matière noire pourraient avoir une influence sur les mouvements des étoiles dans les galaxies qui reproduirait les prédictions de Mond.

 


Dans cette vidéo des éditions De Boeck (pour lesquelles il a écrit ou traduit plusieurs ouvrages), Richard Taillet (en compagnie de Claude Aslangul) répond à plusieurs questions. Par exemple : « Pourriez-vous nous expliquer ce qu'est la matière noire ? », « Quels sont les candidats possibles formant la matière noire ? » © éditions De Boeck, YouTube

Mais où en est aujourd’hui la quête des particules de matière noire ? Pour le savoir, nous avons demandé à l’un des spécialistes français qui chassent ces particules de matière, Richard Taillet. Les habitués des forums de Futura-Sciences le connaissent pour son rôle actif de modérateur et ses interventions pour répondre à de multiples questions il y a quelques années. Ancien élève de l'ENS de Lyon, il est professeur à l'université de Savoie et chercheur au LAPTH (laboratoire d'Annecy-le-Vieux de physique théorique).

Futura-Sciences : Pouvez-vous nous rappeler comment l’on cherche à détecter les particules de matière noire ?

Richard Taillet : Il y a deux voies de recherche principales, la détection directe et la détection indirecte.

Dans le premier cas, on cherche à les détecter sur Terre, au laboratoire. Plusieurs recherches directes reposent sur l’hypothèse que les galaxies, comme la Voie lactée, sont censées baigner dans un halo de matière noire. La Terre doit donc être traversée en permanence par ces particules d’un type nouveau. Bien que ces particules soient supposées interagir très faiblement avec la matière normale (dite baryonique car composée de noyaux d’atomes avec des protons et des neutrons), il est possible que ces interactions soient tout de même suffisamment fortes pour que des détecteurs enterrés (pour les isoler du bruit de fond des rayons cosmiques) soient capables de mettre en évidence ce flux de matière noire.

La délicate chasse aux Wimps sous la terre

Ces particules de matière noire, que l’on appelle dans ce cas précis des Wimps (pour weakly interacting massive particles), entreraient en collision avec des noyaux qui, par leur mouvement de recul, produiraient des excitations sous forme de phonons dans un réseau cristallin, des réactions d’ionisation ou des scintillations. On chasse ainsi les Wimps depuis plusieurs années avec des expériences comme Xenon, CoGent ou CDMS.

Ce sont des expériences très délicates, une des difficultés majeure étant qu’on cherche à détecter une particule dont justement on ne connaît pas les caractéristiques !

Une Wimp entrant en collision avec un noyau provoque son mouvement dans un réseau cristallin et donc la formation d'un phonon. Une Wimp peut aussi arracher un électron à un atome. © cdms.berkeley.edu
Une Wimp entrant en collision avec un noyau provoque son mouvement dans un réseau cristallin et donc la formation d'un phonon. Une Wimp peut aussi arracher un électron à un atome. © cdms.berkeley.edu

Malgré quelques annonces de détection (Dama) et des polémiques, rien n’est pour le moment sorti de ces expériences. Elles continuent à se faire avec des améliorations portées aux détecteurs d’année en année pour les rendre plus sensibles. Si ces expériences n'ont toujours pas permis de comprendre à quoi ressemblent les particules de matière noire, on sait tout de même à quoi elles ne ressemblent pas puisque ces non-détections posent des contraintes sur les caractéristiques de ces particules et sur les théories qui les décrivent.

Au lieu d’essayer de détecter les particules de matière noire présentes autour de nous, on peut aussi envisager de les produire avec des collisions de faisceaux de particules, grâce à des accélérateurs. Ainsi, on les a chassées avec le Tevatron et aujourd’hui cette quête se poursuit avec le LHC.

Les accélérateurs offrent d’ailleurs aussi une autre voie de recherche intéressante : même si on ne crée pas directement les particules de matière noire, on espère pouvoir mettre en évidence des phénomènes qui remettraient en cause le modèle standard de la physique des particules. Si par exemple on arrivait à confirmer l’existence de la supersymétrie, l’hypothèse selon laquelle la matière noire pourrait être constituée de particules supersymétriques gagnerait énormément de crédit.

La traque de la matière noire dans les rayons cosmiques

En complément de ces tentatives de détection directe, des recherches se font de manière indirecte. Certaines théories expliquant la nature des particules de matière noire impliquent en effet qu’elles peuvent se désintégrer en donnant des signatures détectables dans le cosmos. On étudie ces signatures dans le cadre de la jeune discipline de l’astroparticule, ou physique des astroparticules.

Des paires de neutralinos, des particules de matière noire, en s'annihilant, peuvent donner des paires de quark-antiquark donnant lieu à la formation d’hadrons et de positrons dans la galaxie (en haut, de gauche à droite). Les paires de neutralinos peuvent aussi donner lieu par annihilation à deux photons gamma, comme indiqué en bas à gauche. © INFN
Des paires de neutralinos, des particules de matière noire, en s'annihilant, peuvent donner des paires de quark-antiquark donnant lieu à la formation d’hadrons et de positrons dans la galaxie (en haut, de gauche à droite). Les paires de neutralinos peuvent aussi donner lieu par annihilation à deux photons gamma, comme indiqué en bas à gauche. © INFN

La recherche de signatures indirectes consiste à chercher un excès de particules d’un type connu (gamma, positrons, antiprotons, neutrinos, etc.), ce qui nécessite d’avoir une excellente connaissance des processus qui peuvent produire ces particules de manière standard, c’est-à-dire sans faire appel à la matière noire. Ces recherches s’inscrivent donc généralement dans le cadre plus général de l’astrophysique et de l’astronomie, par exemple avec Fermi pour celles qui relèvent de l’astronomie gamma, ou avec IceCube pour l’astronomie des neutrinos.

Une voie de recherche prometteuse repose sur le fait que les processus astrophysiques produisent bien plus de matière que d’antimatière. Une composante anormalement élevée de particules d’antimatière à certaines énergies pourrait donc trahir la présence de particules de matière noire en train de se désintégrer ou de s’annihiler dans la Voie lactée. C'est la raison pour laquelle on cherche à mesurer le flux de positrons, d’antiprotons et d’antideutérons [NDLR : noyaux d’antideutérium, soit un antiproton et un antineutron] dans le rayonnement cosmique avec des détecteurs dans l’espace comme Pamela et AMS. Dans le cas d’AMS, des mesures de flux d’antinoyaux de deutérium sont particulièrement attendues car elles pourraient constituer une preuve très convaincante de l’existence de la matière noire.

Futura-Sciences : Concernant les tentatives de production de particules de matière noire en accélérateur, beaucoup s’attendaient à ce que le LHC découvre rapidement des particules supersymétriques et en particulier l’une d’entre elles que l’on appelle le neutralino. Rien de tel n’est encore arrivé. Quel est le sentiment dans la communauté des chasseurs de particules de matière noire à ce sujet ?

Richard Taillet : Les scientifiques qui travaillent dans ce domaine sont impatients de voir des particules de matière noire dans les collisions de protons au LHC, que ce soit des particules supersymétriques ou d’autres, comme des états excités de particules du modèle standard dans le cadre des théories dites de Kaluza-Klein (KK). La particule de matière noire qui était probablement la plus attendue s'appelle effectivement un neutralino.

Elle apparaît dans le cadre des extensions les plus simples du modèle standard faisant intervenir la supersymétrie. La supersymétrie fascine nombre de théoriciens, notamment parce qu’elle permet de résoudre naturellement plusieurs problèmes liés au boson de Higgs et aux tentatives pour unifier avec des GUT la force électrofaible et la force nucléaire forte. D’autres physiciens n’ont pas été convaincus et il faut bien dire que le LHC a quelque peu refroidi les espoirs, car il n’y a toujours aucun signe de particules supersymétriques dans les détecteurs Atlas et CMS.

Les particules ont aussi un aspect ondulatoire et l’onde qui leur est associée doit se retrouver dans les dimensions spatiales supplémentaires où elles pourraient osciller selon différents modes, comme ceux d’un instrument de musique. Si l’on cogne suffisamment fort deux particules, la partie de leur onde associée, piégée dans les dimensions supplémentaires, peut donc sauter d’un mode propre à un autre. Dans un modèle simple de dimension spatiale supplémentaire, on a une quatrième dimension enroulée sur elle-même pour former un cercle de rayon R. Une particule quantique aura alors une composante d'impulsion p dans cette dimension qui est quantifiée à la manière d'une orbite d'électron dans un atome. Il apparaît une composante de masse supplémentaire dépendant d'un nombre entier n qui s'ajoute à celle de la particule dans son état fondamental m0. On obtient une « tour d’états » de Kaluza-Klein, un spectre de masse, qui devient continu lorsque R tend vers l'infini. © Joseph Lykken
Les particules ont aussi un aspect ondulatoire et l’onde qui leur est associée doit se retrouver dans les dimensions spatiales supplémentaires où elles pourraient osciller selon différents modes, comme ceux d’un instrument de musique. Si l’on cogne suffisamment fort deux particules, la partie de leur onde associée, piégée dans les dimensions supplémentaires, peut donc sauter d’un mode propre à un autre. Dans un modèle simple de dimension spatiale supplémentaire, on a une quatrième dimension enroulée sur elle-même pour former un cercle de rayon R. Une particule quantique aura alors une composante d'impulsion p dans cette dimension qui est quantifiée à la manière d'une orbite d'électron dans un atome. Il apparaît une composante de masse supplémentaire dépendant d'un nombre entier n qui s'ajoute à celle de la particule dans son état fondamental m0. On obtient une « tour d’états » de Kaluza-Klein, un spectre de masse, qui devient continu lorsque R tend vers l'infini. © Joseph Lykken

Toutefois, si les théories supersymétriques les plus simples sont maintenant moins crédibles, cela ne veut pas dire que les particules de matière noire ne sont pas des particules supersymétriques. Il se pourrait que des versions plus complexes de ces théories soient correctes. On peut penser que ces particules sont plus massives que prévu et qu’on finira par les voir lorsque des collisions à plus hautes énergies se produiront dans quelques années au LHC, ou avec ses successeurs.

Si les théories KK sont justes, des particules comme le photon ou le graviton pourraient exister sous différentes formes en étant massives du fait de l'existence de dimension spatiales supplémentaires. Il y aurait même ce qu’on appelle une tour d’états de Kaluza-Klein avec un large spectre de masse pour chaque particule du modèle standard. Tout se passerait un peu comme pour les états d’énergie d’un atome d’hydrogène excité, sauf que l’état de plus basse énergie correspondrait à des photons et des gravitons de masse nulle. Aucune de ces particules de Kaluza-Klein n’a pour le moment été détectée.

(La suite de cet entretien sera publiée prochainement. À suivre...)


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