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A-t-on découvert des particules de matière noire ?

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L'un des modèles de matière noire les plus étudiés, celui des axions, prédit qu'un flux de ces particules est produit par le Soleil. Le satellite européen XMM-Newton a peut-être découvert la trace de ce flux sous forme d'une anomalie du fond de rayonnement X connu depuis les années 1960.

Interview : quelles particules composent la matière noire ?  Selon les calculs et les observations, il existerait dans l'espace une grande quantité de matière invisible. Cette masse mystérieuse, baptisée matière noire, est encore aujourd'hui une énigme à laquelle se frottent de nombreux chercheurs. Dans le cadre de sa série de vidéos Questions d’experts, sur la physique et l’astrophysique, l’éditeur De Boeck a interrogé Richard Taillet, chercheur au LAPTH, afin qu'il nous en dise plus sur cette matière noire. 

Le LHC va redémarrer en 2015, AMS va continuer à étudier le flux de rayons cosmiques et des expériences enterrées comme Lux vont se poursuivre. Leur but commun ? Rien de moins que la détection des particules de matière noire, l'un des ingrédients fondamentaux de la cosmologie moderne dont on ne sait toujours pas se passer pour expliquer les caractéristiques du rayonnement fossile et la naissance des grandes structures dans l'univers observable. Il n'y a qu'au niveau des galaxies, comme la Voie lactée et Andromède (M31), que l'on rencontre de véritables problèmes avec le modèle de la matière noire froide alors que la théorie Mond semble mieux rendre compte des observations.

Se pourrait-il que la détection des particules de matière noire ait déjà été faite ? Peut-être, si l'on en croit un article publié sur Arxiv et dont l'un des auteurs, le physicien George Fraser, est décédé cette année. Les chercheurs expliquent qu'ils ont découvert une étrange anomalie dans les données collectées au cours des années par le satellite européen XMM-Newton. Ses instruments lui permettent d'observer le cosmos et ses astres dans le domaine des rayons X.

L'axion et la chromodynamique quantique

Depuis ses débuts, l'astronomie X a montré que la voûte céleste est parsemée de sources X individuelles brillantes dans la Voie lactée, mais aussi qu'il existe aussi un fond de rayonnement X. On pense maintenant que ce dernier est largement constitué de sources à l'échelle des galaxies qui étaient difficilement résolues avant la mise en service de télescope X en orbite du calibre de ceux de XMM-Newton et Chandra.

En soustrayant de la voûte céleste observée par XMM-Newton les sources X connues, les astrophysiciens ont découvert qu'il existait une mystérieuse composante résiduelle qui variait de façon saisonnière. Après avoir mûrement réfléchi, les chercheurs en sont arrivés à relier le phénomène à l'un des modèles de matière noire, celui des axions.

Rappelons qu'avec les neutralinos, des particules supersymétriques, les axions sont les candidats les plus souvent envisagés pour rendre compte de l'existence supposée de la matière noire. Tout comme le boson de Brout-Englert-Higgs, l'axion est associé à un champ scalaire et à une brisure de symétrie. Son existence a été postulée au cours des années 1970, dans le cadre de travaux menés en chromodynamique quantique (la QCD), tout d'abord par Roberto Peccei et Helen Quinn et enfin par Steven Weinberg et surtout Frank Wilczek. C'est ce dernier qui a baptisé axion la particule associée au champ du mécanisme de Peccei-Quinn. Il permet d'expliquer naturellement pourquoi le neutron ne semble pas posséder de moment électrique dipolaire alors qu'il n'existe aucune raison pour cela dans le cadre du modèle standard.

Ce schéma illustre l'hypothèse avancée pour expliquer une curieuse anomalie dans la fond de rayonnement X observée par XMM-Newton. Des axions produits par le Soleil se convertiraient en photons X (X rays) lorsqu'ils pénètrent dans la magnétosphère (lignes de champs rouges) de la Terre. © University of Leicester

L'effet Primakoff et la création de matière noire

L'axion est une particule très légère qui interagit peu avec les particules de matière ordinaire. Mais via ce qu'on appelle l'effet Primakoff, lorsqu'un champ magnétique est suffisamment fort, un photon assez énergétique peut être converti en axion et inversement. On peut montrer qu'ils devraient être produits en grandes quantités à l'intérieur du Soleil de cette façon (il existe aussi d'autres mécanismes possibles). L'idée derrière l'article de George Fraser et ses collègues repose précisément sur l'effet Primakoff, mais dans le champ magnétique de la Terre. Les axions issus du Soleil s'y convertiraient en photons X et du fait de l'orbite de notre planète, leurs flux auraient bien une modulation saisonnière.

Cette hypothèse reste à vérifier et il faut aussi que les caractéristiques que l'on attribue à l'axion soient compatibles avec les bornes issues d'autres expériences. La découverte de l'axion ne ferait pas que consolider et préciser le modèle cosmologique standard. En effet, des champs axioniques émergent naturellement de la théorie des supercordes.

XMM-Newton (XMM est l'abréviation de X-ray Multi-Mirror) est un observatoire spatial de l'Esa destiné à l'observation des rayons X. En orbite depuis 1999, il permet l'étude de la formation des étoiles, des amas de galaxies et des processus liés à la présence des trous noirs supermassifs au cœur des galaxies dans le domaine des rayons X à basses énergies. © Esa