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Matière noire (2/2) : la suite du bilan de la chasse de Richard Taillet

La matière noire pourrait se présenter sous bien des formes. Il pourrait s'agir d'axions, de particules différentes des Wimps ou ne relevant pas du modèle de la matière noire froide. La présence de minitrous noirs primordiaux a même été envisagée. Nous continuons à examiner l'état des recherches sur les particules de matière noire dans cette deuxième partie de l'interview de Richard Taillet.

Les observations des courbes de vitesses de révolution v(r) des étoiles autour du centre de leur galaxie à une distance r montrent qu'elles tournent trop vite si l'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 vitesses de révolution v(r) des étoiles autour du centre de leur galaxie à une distance r montrent qu'elles tournent trop vite si l'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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Dans la première partie de son interview, Richard Taillet, que les membres de Futura-Sciences connaissent bien, nous avait parlé des deux types de chasse aux particules de matière noire : les recherches directes, comme avec l'expérience Coupp, et les recherches indirectes, comme avec le télescope gamma Hess ou encore le détecteur AMS à bord de l'ISS

 


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 qui sont, par exemple : « Pourriez-vous nous expliquer ce qu'est la matière noire ? », « Quels sont les candidats possibles formant la matière noire ? » © Éditions De Boeck

Ces recherches s'avèrent difficiles, bien qu'il y ait pléthore de candidats possibles et plusieurs expériences différentes mises en œuvre. Certaines théories, dont la supersymétrie, laissaient espérer une rapide découverte des particules de matière noire avec le LHC. Le boson de Higgs semble effectivement avoir été observé, mais si tel est bien le cas, il reste à prouver qu’il nous ouvre une porte vers une physique au-delà du modèle standard. Une physique qui contiendrait naturellement des particules de matière noire suffisamment peu massives pour que l’on puisse les créer dans les accélérateurs technologiquement accessibles à l’humanité.

Voici la suite des questions que Futura-Sciences a posées à Richard Taillet au sujet de l'état de la chasse à ces mythiques particules de matière noire.

Futura-Sciences : Vous nous avez expliqué que beaucoup de monde attendait avec impatience la découverte de particules de matière noire avec le LHC. Ces espoirs sont pour le moment déçus. Plus généralement, on peut dire la même chose des signatures d’une nouvelle physique. Un certain découragement, voire un pessimisme, est même parfois palpable chez certains. Il s’agit cependant de recherches directes de particules de matière noire. Comment les choses se présentent-elles dans le cas des recherches indirectes avec des détecteurs en orbite ?

Richard Taillet : Les recherches se poursuivent. Le détecteur AMS installé sur la Station spatiale internationale a enregistré pendant un an 17 milliards d’événements dans le flux de rayons cosmiques, et plusieurs équipes s’intéressent de près aux analyses de ces données. Pour la première fois, des électrons d'énergie supérieure à 1 TeV et des positrons avec des énergies supérieures à 200 GeV ont été mesurés avant d'entrer dans l'atmosphère.

Le satellite Pamela avait lui détecté il y a quelque temps un excès de positrons dans ce flux de rayons cosmiques au-dessus de 10 GeV. Une première interprétation pouvait être qu’il s’agissait d’une preuve indirecte de l’existence de la matière noire. Des paires de neutralino-antineutralino présentes dans le noyau de la Voie lactée, en s’annihilant, peuvent augmenter l’intensité du flux de positrons dans les rayons cosmiques de la galaxie. Et ce au-delà de ce à quoi on peut s’attendre en tenant compte de la production de ces particules d’antimatière par des processus astrophysiques ordinaires, comme les supernovas et les pulsars. Malheureusement, on ne peut pas écarter la possibilité que cet excès soit causé par la présence de pulsars pas très éloignés du Soleil et que l’on n’a pas encore détectés.

Un excès de protons de haute énergie a aussi été observé dans les rayons cosmiques par les expériences Pamela et Cream, ce qui pourrait fournir des clés supplémentaires pour résoudre le problème des positrons que nous venons de mentionner.


Le détecteur AMS-02, de sa conception à sa mise en place sur l'ISS. © 2012 www.widlab.com, Studio Famiglietti, Vimeo

De grandes quantités de positrons au centre de la Voie lactée

Enfin, plusieurs indices semblent indiquer que le centre de la Voie lactée contient une quantité de positrons que l’on ne parvient pas à expliquer par des processus astrophysiques standards. Le dernier en date a été fourni par les satellites Planck et WMap, qui ont découvert une émission diffuse anormale dans le domaine des micro-ondes dans cette direction. Celle-ci pourrait venir de positrons qui rayonneraient en se déplaçant dans le champ magnétique galactique, ces positrons pouvant être produits par la désintégration de particules de matière noire. Mais cette hypothèse pose problème et il semble qu’il soit plus probable que l’on observe là les effets d’un mécanisme d’accélération encore inconnu.

Il peut paraître décourageant que la chasse indirecte à des particules de matière noire comme les neutralinos soit si difficile, mais il y a toujours quelque chose à apprendre de cette manière dans le domaine de l’astrophysique.

Futura-Sciences : Outre le neutralino, la littérature cite souvent le nom d'une autre particule dans la liste des candidats sérieux au titre de particule de matière noire. Elle a été introduite dans le cadre des équations de la chromodynamique quantique, la QCD, la théorie des interactions nucléaires fortes. Elle permet de comprendre pourquoi on observe expérimentalement que ces interactions conservent les symétries C et CP alors qu’en général, la QCD et le modèle standard ne le font pas. Le prix Nobel de physique Frank Wilczek l’a baptisée du nom d’axion, avec humour puisqu’il s’agissait d’un clin d’œil à une marque de lessive. La cherche-t-on toujours ?

Richard Taillet : Il existe plusieurs modèles en physique des particules pour décrire l’axion. Il s’agit à chaque fois d’une particule très légère, neutre et qui peut interagir très faiblement avec la matière normale. Il ne s'agit donc pas d'une Wimp.

Les théories à son sujet prédisent, entre autres, qu’en présence d’un champ magnétique ou du champ électrique d’un noyau, des photons peuvent se convertir en axions qui à leur tour peuvent redevenir des photons (c’est l’effet Primakoff). Il se pourrait qu’une grande quantité de ces particules aient été produites pendant les phases très primitives de l’univers, et ce sont effectivement de bonnes candidates pour expliquer la matière noire. Si elles existent, le Soleil devrait en produire aussi, et c’est pourquoi on a tenté de les observer avec le Cern Axion Solar Telescope (Cast).

En 2011, les chercheurs du Cern ont publié un article faisant état de résultats malheureusement négatifs. Cela ne veut pas dire que l’axion n’existe pas, mais on a repoussé les limites concernant sa masse et la façon dont il peut interagir avec la matière ordinaire.

Des simulations cosmologiques à base de matière noire pure

On cherche également à détecter directement sur Terre les axions du halo de matière noire de la Voie lactée avec l’expérience Axion Dark Matter eXperiment (ADMX). De nouveau, les résultats sont négatifs jusqu’à présent. Mais des chercheurs comme Leslie Rosenberg sont confiants. On verra bien. Il y a eu aussi des expériences tentant de produire directement des axions en laboratoire comme PVLAS, mais les tentatives sont restées tout aussi vaines.


Une simulation conduite à partir de travaux publiés en 1990 par David Weinberg et James Gunn montrant la formation des grandes structures dans l'univers dans le cadre du modèle de matière noire froide. Les galaxies apparaissent les premières et se rassemblent plus tard en superamas formant des filaments. © Johannes Hidding, YouTube

Futura-Sciences : L’astrophysicien Pavel Kroupa, en compagnie de ses collègues, a récemment publié un article au sujet des galaxies naines en orbite autour de la Voie lactée. Selon ses travaux, ces galaxies ont des caractéristiques incompatibles avec les simulations issues du modèle de la matière noire froide. Ce n’est pas la première fois que l’on parle d’un désaccord entre les prédictions de ce modèle et les observations. Où en est-on ?

Richard Taillet : Le problème est ancien et les cosmologistes ont appris à se méfier des comparaisons entre les simulations et la réalité. La valeur d’une simulation est intimement liée aux ingrédients que l’on a mis dedans, et toutes les simulations actuelles doivent faire des hypothèses simplificatrices drastiques. Je ne nie pas l’extrême intérêt des simulations numériques, c’est un outil puissant en physique, en particulier dans le domaine de la cosmologie. Il convient de prendre un peu de recul, de prendre note de ce qui, dans les simulations réalisées par différents groupes, correspond ou non à ce qu’on observe, avant d’en tirer une conclusion générale.

À l’heure actuelle, les simulations numériques indiquent un bon accord avec les observations, ce qui signifie que l’on comprend effectivement quelque chose à la cosmologie. Les désaccords qui subsistent fournissent des pistes extrêmement intéressantes pour affiner cette compréhension.

Écarts entre simulations cosmologiques et observations

En particulier, les simulations cosmologiques ont tendance à prédire l’existence d’un grand nombre de petites galaxies naines satellites des grandes galaxies. Le compte n’y est pas dans le cas de la Voie lactée et des autres galaxies de l’amas local. Peut-être cela veut-il simplement dire qu’il existe une petite composante de matière noire dite chaude en plus de la matière noire froide. Une population de ces particules, par exemple des neutrinos stériles, qui seraient très légères et rapides, a tendance à inhiber la formation des petites galaxies. Il faudrait alors se diriger vers des modèles de matière noire tiède car contenant un mélange de particules de matière noire froide et chaude. Des neutrinos stériles ont ainsi été cherchés mais pour le moment sans succès.

Toutefois, pour préciser ce que j’entendais plus haut par « simplification drastique », il ne faut pas perdre de vue que les simulations cosmologiques comme celle du Millennium Run, ou la Bolshoi Simulation, sont très souvent des simulations dites de matière noire pure. C'est-à-dire que l’on ne tient pas compte de l’interaction de cette matière avec la matière baryonique ni du comportement propre de cette matière normale. La complexité et le volume de calculs à effectuer seraient trop élevés. Toute une dynamique avec le refroidissement et le chauffage du gaz qui régit l'histoire de la formation d'étoiles au sein des galaxies n’est donc pas prise en compte.

Par exemple, on sait qu’il y a un lien entre la masse d’une galaxie et celle de son trou noir central, ce qui veut dire que les deux croissent de pair. Lorsque ces trous noirs supermassifs étaient des quasars, peut-être ont-ils aussi influencé l’évolution des petites galaxies naines en raison des jets de matière et autres rayonnements que ces quasars produisaient. Ces galaxies naines pourraient être là mais presque invisibles parce que, à part leur contenu en matière noire, elles auraient perdu rapidement leur contenu en gaz pour une raison ou pour une autre. Cela aurait stoppé la formation stellaire en leur sein, les rendant donc très peu lumineuses et difficiles à détecter. Il existe d'autres hypothèses comme celle faisant intervenir le souffle des supernovas.


Cette vidéo introduit la simulation Millenium Run, qui représente l'évolution d'une partie de l'univers dans le temps. © ABLReebok2009, YouTube

La piste des trous noirs primordiaux

Enfin, dans les simulations cosmologiques, il est évidemment hors de question de suivre les particules de matière noire une par une (de même qu’on ne peut raisonnablement pas simuler un gaz en suivant le mouvement de toutes ses molécules), et l’unité de base, que malheureusement les chercheurs appellent aussi « particule de matière noire », est très massive. En 2009, la simulation du Millennium Run a utilisé des « particules » pesant 6,9 millions de masses solaires pour reproduire la formation des galaxies et des amas de galaxies dans un cube de 400 millions d’années-lumière de côté. La précédente utilisait environ 10 milliards de ces particules pesant 1 milliard de masses solaires dans un cube de 2 milliards d’années-lumière de côté. On comprend donc que la résolution de ces simulations, même sans parler du problème de la prise en compte de la dynamique de la matière normale, ne permet pas d’avoir des certitudes quant au problème du déficit des galaxies naines autour de la Voie lactée.

Futura-Sciences : Une population de minitrous noirs primordiaux, relique là aussi de phases de l’univers primordial, a parfois été avancée comme une explication possible de la présence de la matière noire. Quel est le statut actuel de cette hypothèse ?

Richard Taillet : Stephen Hawking nous a appris que les trous noirs devaient s’évaporer en émettant des particules à la façon d’un corps chauffé à une température inversement proportionnelle à sa masse. S’il a raison, des minitrous noirs qui se seraient formés par effondrement dans le plasma de matière primitif de l’univers et qui auraient des masses inférieures à 5x1014 g environ se seraient tous évaporés aujourd’hui. Comme les dernières phases d’évaporation de ces trous noirs sont violentes, avec de fortes émissions de rayons gamma selon un spectre caractéristique par exemple, on les aurait observés s’ils existaient en grand nombre dans l’univers. Toutefois, des trous noirs primordiaux de masse supérieure à 1017 g seraient trop froids et donc pas assez lumineux pour qu’on les détecte. Ces trous noirs pouvaient rendre compte de la totalité de la matière noire.


Une animation montre l'effet sur les images de la voûte céleste du passage d'une planète errante. L'effet de microlentille gravitationnelle provoque une brusque augmentation de luminosité (brightness en anglais) d'une étoile caractéristique. On aurait un effet similaire avec un trou noir primordial. © M. Freeman (université d’Auckland), Nasa, JPL-Caltech, YouTube

S’ils sont suffisamment massifs pour produire des effets de microlentille gravitationnelle non négligeables (pour des masses plus importantes que 1030 g environ, soit 10-3 masse solaire), on peut utiliser cet effet pour obtenir des bornes sur la présence de ces trous noirs dans le halo de la Voie lactée, grâce par exemple aux collaborations Eros (Expérience de recherche d’objets sombres), Macho ou Ogle. On sait par exemple que moins de 8 % de la masse du halo galactique de matière noire peut être sous forme d’astres compacts très peu lumineux d’une demi-masse solaire. Pour les trous noirs primordiaux dont la masse serait comprise entre 1017 g et 1027 g, il existe très peu de contraintes permettant d’exclure qu’ils jouent un rôle déterminant dans le problème de la matière noire.


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