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Lumières sur la matière noire ?

Nous avons plusieurs fois sur ce site rapporté les hypothèses relatives à l'encore énigmatique matière noire, censée représenter au vu de ses effets gravitationnels environ 80% à 90% de la masse totale de l'univers.
En 1998 des chercheurs des université du Michigan et de Chicago, ainsi que du CERN, avaient publié un article selon lequel l'espace pourrait être empli de particules hyper-massives, 1 trillion de fois la masse du proton, qu'ils avaient baptisé "WIMPZILLAS!" Celles-ci pouvaient être de bonnes candidates pour expliquer la matière noire. Mais comment ces particules se seraient-elles formées, et pourquoi sont-elles indétectables malgré d'actives recherches?

Sur la base de cette hypothèse, les cosmologistes ont imaginé le type de particule correspondant à la description donnée. Jusqu'à ce jour, un certain accord s'est fait sur le concept de particule massive faiblement interactive dit WIMP (weakly interacting massive particle). Des raisons théoriques justifieraient que ces particules aient pu être produites très tôt après la naissance de l'univers. Elles auraient la masse convenable pour expliquer les effets gravitationnels observés par les astronomes, notamment concernant la forme des galaxies.

Cependant, malgré d'actives recherches utilisant des détecteurs conçus à cette fin, notamment le détecteur A/LIBRA mis en service depuis 20 ans à l'observatoire du Gran Sasso en Italie, aucun signal significatif n'a été recueilli, en dehors d'un événement récent, survenant périodiquement en juin, et pouvant résulter du fait que la Terre traverserait régulièrement un nuage de WIMP. Mais les détecteurs mis en place dans de nombreux autres observatoires n'ont jamais rien observé de tel. De son coté, le LHC n'a jamais produit de particules semblables lors des collisions à haute énergies qu'il réalise.

Adieu aux WIMPS, bonjour aux WIMPIZILLAS

Ceci a conduit à la mise en cause du concept de WIMP. Il semble qu'il faille chercher autre chose. L'hypothèse de particules hyper-lourdes redevient d'actualité. Mais pour les générer, l'univers doit disposer d'énergies considérables. Seules pourraient convenir celles rencontrées durant la période dite inflationnaire (dans l'hypothèse généralement admise qu'une telle phase de développement se soit produite aux toutes premiers instants après le Big Bang). Les expériences récentes conduites par le radiotélescope BICEP2 au Pôle Sud et par le satellite Plank de l'Esa concernant le rayonnement de fond cosmologique font penser que l'énergie disponible pendant l'inflation aurait été largement suffisante, soit une estimation de 1024 electronvolts .

Lors de l'inflation, l'univers aurait pu s'étendre grâce à l'action d'hypothétiques particules dites « inflatons » . Celles-ci en se désintégrant auraient produit les particules que nous connaissons et aussi, pourquoi pas, les particules lourdes constituant la matière noire, y compris des WIMPIZILLAS. Par ailleurs, les fluctuations de champs électomagnétique intenses survenant pendant l'inflation auraient pu également générer ces particules. De la même façon, les fluctuations de l'énergie du vide quantique sont supposées pouvoir produire des particules de matière et d'anti-matière, électrons et positons. Aujourd'hui ces particules à peine produites s'annihilent les unes les autres en restituant de l'énergie. Mais dans le cas des fluctuations survenues lors de l'inflation, les énormes quantités d'énergie en cause auraient donné naissance à des particules hyper-lourdes, les WIMPZILLAS. Elles se seraient très rapidement répandues dans l'univers, jusqu'à constituer aujourd'hui la matière noire.

Du fait de leur masse cependant, elles seraient infiniment moins nombreuses que les WIMPS, tout en produisant les mêmes effets gravitationnels. Les chances de rencontrer l'une d'elles dans un détecteur terrestre sont encore plus faibles que celles de détecter des WIMPS. De plus, selon le modèle proposé pour ces particules, elles passeraient directement à travers la matière ordinaire.

Par contre, il devrait être possible d'observer les particules résultant de leur désintégration en fin de vie, analogues à des photons, protons et neutrinos, mais dotées d'énergies extrêmement élevées. Encore faudrait-il que de telles désintégrations surviennent en assez grand nombre pour produire des résultats observables. Or selon les modèles concernant les WILPZILLAS, leur vie en moyenne pourrait excéder la durée de l'univers. Cependant, certaines d'entre elles pourraient se désintégrer actuellement,, produisant un petit nombres de particules hyper-lourdes qui dans de bonnes conditions seraient observables. Elles pourraient aussi émettre au moment de leur désintégration des rayons cosmiques de très haute énergie, également observables.

Les chercheurs pensent aujourd'hui pouvoir identifier, aussi peu fréquents soient-ils, de tels phénomènes. Notamment grâce au détecteur IceCub au Pôle Sud et surtout grâce à des radio-télescopes nouveaux, aux sensibilités considérablement augmentées, notamment l'Observatoire Pierre Auger en Argentine et le Telescope Array dans l'Utah. Cependant ce ne sera pas nécessairement tout de suite après leur mise en service que ces observatoires pourront identifier des particules significatives. On estime qu'il s'agirait en moyenne d'une particule par km2 en 1 siècle. Les radiotélescopes spatiaux, tels que l' Extreme Universe Space Observatory (JEM-EUSO) envisagés par le projet japonais de ce nom et destinés à être embarqué sur la navette ISS, pourraient avoir de meilleurs facilités d'observation.

Dans ce cas, non seulement le mystère de la Matière noire pourrait commencer à s'éclaircir mais aussi les phénomènes s'étant produits sous le nom d'inflation cosmologique.

Ceci dit, ceux qui recherchent une explication à la matière noire en faisant appel à des hypothèses non particulaires (telles que la MOND, gravitation modifiée) objecteront que les partisans des WIMPS compliquent à plaisir la description qu'ils en donnent pour justifier le caractère encore inobservable de leur supposées particules. Mais comme les autres explication ne sont pas davantage vérifiables,

Note

Cet article est une adaptation de « WIMPZILLAs: Monster particles from the dawn of time » de Anil Ananthaswamy, NewScientist, n° 3026 de juin 2015



19/06/2015


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