La matière noire souffle le chaud et le froid

La matière noire (ou sombre), telle un monstre du Loch Ness cosmique, apparaît et disparaît selon les méthodes de détection, se fait tantôt passer pour “froide”, tantôt pour “chaude” selon les construction théoriques sur sa nature mais, comme le dit si bien le théoricien Jonathan Feng de l’Université de Californie, “nous sommes dans le même cas que cette parabole des Indes dans laquelle un groupe d’aveugles touchent chacun une partie d’un éléphant et cherchent ensuite à reconstruire ensemble une image de l’animal”.

Je parlais l’an dernier des déboires de la recherche de matière noire dans ce billet Matière noire: où sont les WIMPs? , les WIMPs étant d’hypothétiques particules de matière non-baryonique n’interagissant pas avec la matière normale (baryonique), et froides car très anciennes. Le cours de bourse des WIMPs a sérieusement chuté depuis un an, notamment du fait que les expériences menées au LHC pour détecter le boson de Higgs (voir par exemple Higgs poids plume cherche Susy désespérément) auraient du faire apparaître ces WIMPs, or rien. Plusieurs expériences en cours visant à détecter la matière noire, notamment XENON100, DAMACOGENT et CRESST, renvoient des données qui ne sont pas cohérentes d’une expérience à l’autre, tout comme les différentes parties de l’éléphant de notre parabole introductrice. Et personne ne sait à quoi ressemble la bête, tout ce que l’on sait est qu’elle est fondamentale à notre conception actuelle de l’univers: selon le Modèle Standard, elle compte pour 85% de toute la matière de l’univers, elle est le vecteur principale de la formation des galaxies, et elle est le lien manquant vers une intégration de la gravité dans ce modèle.

Un premier élément sur lequel les observateurs semblent s’accorder est le poids très faible de 10 GeV (10% du poids des WIMPs, autre clou dans le cercueil de ces dernières) de ce que l’on arrive à détecter. Un postulant pour la place de particule noire est l’axion, un boson électriquement neutre de très faible masse “inventé” dans les années 70. Cette particule fournirait également de la matière noire “froide” dont l’existence était nécessaire à la formation galactique, mais les modélisations récentes de cette matière froide se heurtent à un problème majeur: la matière noire froide devraient engendrer un grand nombre de petites structures galactiques, que personne n’a pu observer.  D’où la mise en doute de l’existence même de cette forme de matière noire et la recherche d’une version “chaude”, composée de particules non pas dix mais mille fois plus légères que les WIMPs, véloces, et essentiellement incapables de former des galaxies naines.

Un postulant connu pour cette particule est le neutrino stérile (voir notamment Neutrino et matière noire: le retour), qui n’interagit avec la matière “normale” que par le bais de la gravité. Mais un nouvel arrivant pourrait changer la donne: “l’atome noir”, que l’on pourrait croire issu de Star Wars mais qui est en fait un essai par Christopher Wells et son équipe du Houghton College de New York de concilier les différentes observations actuelles: ils postulent que la matière noire chaude pourrait être non pas une particule mais l’équivalent noir d’un atome d’hydrogène: un électron noir associé à un proton noir, émettant des photons noirs si une interaction l’oblige à changer de niveau d’énergie.

L’approche semble prometteuse d’un point de vue expérimental et explique déjà pourquoi on verrait cet atome dans DAMA et pas dans XENON100 par exemple. Du point de vue théorique c’est plus compliqué car rien dans notre modèle actuel ne prévoit la création de ce type d’atomes, même si selon Wells la théorie des cordes pourrait offrir quelques pistes. Les atomes noirs empêcheraient la formation de galaxies naines, et l’univers serait rempli de “lumière noire” interagissant continuellement avec des nuages d’atomes noirs pour les réchauffer et les empêcher de s’effondrer sur eux-mêmes.

Tout le monde est d’accord pour dire que nous n’avons actuellement aucune solution viable et qu’il nous faut plus de données pour voir s’il pourrait exister des particules encore inconnues. L’analyse fine du fond diffus cosmologique, entreprise notamment par la sonde WMAP de la NASA et le télescope spatial Planck, devrait permettre de détecter ces particules si elles existent. Et d’avancer sur la reconstruction de notre éléphant cosmique…

 

Source: http://www.newscientist.com/article/mg21328461.900-dark-matter-mysteries-a-true-game-of-shadows.html?full=true&print=true