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Des neutrinos stériles dans la matière noire : l'hypothèse s'éloigne

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Selon certaines théories, d'étranges neutrinos, inconnus du modèle standard, pourraient constituer une partie de la matière noire. Les physiciens les ont baptisés neutrinos stériles. D'après un groupe de chercheurs, le satellite Integral pose maintenant des bornes aux masses de ces particules qui rendent moins probable leur rôle de constituant de la matière noire.

Le satellite Integral. Crédit : Esa

Aujourd'hui, il ne semble guère raisonnable de douter de l'existence de particules de matière noire dominant le monde des galaxies et des amas de galaxies, même si des explications alternatives aux phénomènes observés, comme les théories de Bekenstein et de Moffat, sont encore des voies de recherche envisageables.

Malgré les résultats spectaculaires que sont les observations de collisions d'amas, les effets de lentilles gravitationnelles faibles et les données de WMap, on ignore toujours la nature de ces particules de matière noire, même si les candidats les plus probables sont les neutralinos, des particules supersymétriques.

Plusieurs physiciens, comme le prix Nobel Martinus Veltman, ne sont pas convaincus par les théories supersymétriques qui associent à chaque particule du modèle standard un partenaire très massif. Pour eux, il s'agit de spéculations trop hardies que les expériences en accélérateur de particules, comme celles du LEP et du Tévatron, ont rendu peu crédibles.

Le prix Nobel Martinus Veltman. Crédit : 2001 Regents of the university of Michigan

Des particules encore un peu plus hypothétiques

Or, il existe de légères extensions du modèle standard, moins spéculatives que les théories de supersymétrie, qui reposent sur l'existence de plusieurs neutrinos lourds, qui n'interagissent avec la matière que par la gravité, et non pas selon des interactions électrofaibles, comme leurs cousins du modèle standard, avec qui ils sont néanmoins couplés par des phénomènes d'oscillations de masse.

Ces neutrinos sont appelés des neutrinos stériles et jusqu'à récemment, l'expérience Liquid Scintillating Neutrino Detector (LSND) pouvait être invoquée pour admettre leur existence. Ces résultats en faisaient des candidats intéressants pour expliquer au moins une partie de la matière noire. Malheureusement, l'expérience plus récente de MiniBoone a démontré que des neutrinos stériles « légers » n'existaient pas, mais elle laissait encore la porte ouverte à des neutrinos stériles de masses importantes.

Pour en avoir le cœur net, John Beacom et Hasan Yuksel, de l'université de l'Ohio, et Casey Watson, de l'université Millikin (Illinois), ont entrepris d'utiliser les données fournies par le satellite International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory(Integral). Si les neutrinos stériles ne sont pas couplés directement au champ électromagnétique, ils ont tout de même la possibilité de se désintégrer en émettant des photons d'une énergie donnée, dans le domaine des rayons X pour être précis. Ceci est connu depuis bien longtemps et le satellite Chandra avait déjà été utilisé pour poser des bornes aux masses et aux densités d'éventuels neutrinos stériles dans le cosmos. Mais avec le lancement d'Integral en 2002, il devenait possible de restreindre encore les masses possibles de ces particules.

Les chercheurs ont donc calculé le flux de rayons X que produirait dans la Voie Lactée une population de neutrinos stériles se désintégrant en un neutrino du modèle standard et un photon. La résolution atteinte par Integral aurait permis de découvrir des raies fines dans un spectre de rayons X produites par la désintégration de neutrinos stériles de masses comprises entre 20 keV et 8 MeV, aisément différentiables d'un fond continu produit, par exemple, par des disques d'accrétions dans des systèmes binaires.

Le résultat de ces recherches a été négatif. La porte reste encore ouverte pour l'existence d'un fond de neutrinos stériles qui composerait une partie de la matière noire. Mais le moins que l'on puisse dire est que celle-ci est sur le point de se fermer...

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