Matière sombre
La lente et laborieuse quête

Il y a bien des mystères dans l’univers qui nous héberge ; la matière sombre représente l’un d’entre eux, tout le monde le sait.

 

Etat des lieux – fin novembre 2017

La matière sombre n’émet rien, ne rayonne ni n’absorbe de la lumière, mais la plupart des modèles théoriques la concernant prédisent qu’elle peut de temps en temps interagir avec la matière visible ordinaire. Depuis la fin des années 80, les scientifiques déploient des merveilles d’ingéniosité afin de tenter d’isoler les particules susceptibles de constituer cette matière sombre. Qui plus est, pendant les quinze dernières années, la sensibilité des appareillages a augmenté de façon exponentielle, doublant pratiquement tous les ans en moyenne.

Deux collaborations scientifiques indépendantes l’une de l’autre (XENON et PANDA-II ; voir références [1] et [2]) ont récemment pris place dans cette course apparemment incessante au progrès. Les deux équipes, l’une en Italie et l’autre en Chine, utilisent du xénon liquide. Ce matériau a été choisi pour sa faible réactivité ; elle permet de maintenir un niveau zéro sous-jacent d’évènements à un niveau très bas. Il l’a également été en raison de sa masse atomique importante (131 nucléons en moyenne), ce qui fait de lui une cible assez large pour interagir avec les particules passant éventuellement à leur niveau au travers de la Terre. Une interaction avec le xénon, quand elle existe, produit un signal infime, qui peut ensuite être visualisé soit à cause d’une scintillation, soit à cause d’une ionisation. Toute interaction nous révèle une partie des propriétés des particules interagissant. Toute absence de détection nous en dit également beaucoup sur ce que la matière sombre n’est pas.

La récente publication rendant compte de ces non-interactions ne nous révèle donc rien sur la nature même des particules de matière sombre. Mais elle nous donne une très précieuse indication sur la section efficace maximale de ces hypothétiques particules. Et le résultat est sidérant puisqu’il est des millions de fois plus petit que la section efficace d’interaction prédite pour un hypothétique neutrino portant une énergie de 100 GeV.

Ces résultats déconcertants affectent énormément la communauté scientifique qui partage désormais l’opinion que ces particules auraient en principe dues être détectées depuis fort longtemps. Ce résultat négatif provoque une explosion de nouveaux modèles théoriques basés sur des idées entièrement nouvelles.

L’une des explications retenues pour expliquer l’absence même d’interaction est que ces hypothétiques particules de matière sombre constituent ce que les spécialistes appellent le secteur des particules cachées, difficile à produire dans les accélérateurs et interagissant si peu qu’il nous faut imaginer d’autres moyens de détecter leurs interactions indirectes. 

Pour d’autres chercheurs, ces résultats négatifs représentent une sorte de cassure dans le monde des représentations des particules ; ils pensent qu’elles ne sont pas du tout ce que nous avons toujours pensé qu’elles soient, Pour autant, la technique des détections n’a jamais autant progressé qu’au cours de ces dernières années et ces nouveaux mystères sont autant d’opportunités pour les constructeurs de modèles théoriques...

Etat des lieux – octobre 2018 

Et justement, les inventeurs de modèles théoriques ne manquent jamais d’idées pour entretenir cette permanente émulation compétitive qu’exercent mutuellement l’une sur l’autre les propositions mathématiques et les résultats expérimentaux. Depuis la découverte d’ondes gravitationnelles fin 2017 (LIGO), une idée interroge les esprits : « Et si la source de la matière sombre n’était rien d’autre que l’ensemble des trous noirs peuplant les galaxies ? » Le débat, comme à l’accoutumée, fait rage mais quoiqu’il en soit, une étude récente vient limiter les espoirs ardents des supporters de cette thèse.

L’idée avancée (les trous noirs sont la source de la matière sombre) repose sur un certain nombre de connaissances acquises. Premièrement, il faut peu de chose pour qu’un trou noir apparaisse dans l’univers primordial ; précisément : une densité volumique de matière (d’énergie) deux fois supérieure à la moyenne ambiante. Malheureusement, les mesures des variations de la variation des densités énergétiques fournies par l’observation du bruit de fond des micro-ondes cosmiques exhibent une uniformité laissant peu d’espoir, au moins en ce qui concerne les échelles macroscopiques. En clair, si ces mesures sont représentatrices de la réalité jusqu’aux échelles de longueur les plus petites, il est hors de question que des trous noirs aient pu se former dans l’univers primordial.

Par conséquent, cette piste reste seulement acceptable s’il existe des zones dont les dimensions ne sont pas accessibles à nos instruments d’observation actuels mais dans lesquelles de fortes fluctuations énergétiques peuvent apparaitre. Les chercheurs ont donc imaginé des modèles théoriques. Ils constituent la famille des scénarios d’inflation dits hybrides. Ils respectent les observations du fond cosmique tout en autorisant la création d’un grand nombre de micro-trous noirs primordiaux. Leur avantage ? (i) Expliquer le grand nombre de trous noirs supermassifs observés aux grandes distances dans la gamme X ; (ii) justifier les fluctuations observées dans le fond cosmique infra-rouge… mais ce deuxième point constitue un raisonnement circulaire puisqu’il faut des fluctuations pour que naissent des trous noirs : le vieux problème irrésolu de la poule et de l’œuf ! (iii) leur nombre est suffisant (estimation : un milliard rien que dans notre galaxie) pour expliquer la quantité de matière sombre aujourd’hui présente dans l’univers… mais ce troisième argument ressemble à une autojustification des modèles proposés puisqu’on sait comment il est possible de contraindre les modèles à partir de données expérimentales. Pour autant les détections réalisées par LIGO semblent être un argument en faveur d’une importante population de trous noirs d’une masse de l’ordre de dix masses solaires. Cela suffirait-il à expliquer la quantité de masse sombre observée ? Les débats vont bon train. Des calculs récents montrent que si la masse des trous noirs était comprise entre dix et trois cents masses solaires, LIGO aurait déjà dû en repérer des centaines de fois plus… Ce qui semble indiquer, inversement, que cette catégorie de trous noirs ne rend actuellement compte que d’un pour cent de la masse sombre. Des mécanismes expliquant ce faible taux sont à l’étude [3]. Les effets de lentille gravitationnelle qui seraient par exemple induits par le passage d’un trou noir entre la Terre et une étoile fait également l’objet de recherches. Elles indiquent que la séduisante idée initiale consistant à associer matière sombre et trous noirs s’accompagne de très fortes contraintes. In fine, si les trous noirs sont bien une source pour la matière sombre, ils ne peuvent rendre compte que d’une partie seulement de ce mystérieux ingrédient.

Bibliographie

[1]         PandaX-II Collaboration, “Dark Matter Results From 54-Ton-Day Exposure of PandaX-II Experiment,” Phys. Rev. Lett. 119, 181302 (2017).

[2]         XENON Collaboration, “First Dark Matter Results from the XENON1T Experiment,” Phys. Rev. Lett. 119, 181301 (2017).

[3]         “Strong constraints on clustered primordial black holes as dark matter,” arXiv:1808.05910.