Matière noire : et si elle existait en deux formes ? Une théorie pourrait enfin résoudre l’énigme

Richard Taillet n’est hélas plus là pour nous donner son avis d’expert sur un article que l’on peut consulter en accès libre sur arXiv et que l’on doit à une équipe de chercheurs, dont sont notamment membres Gordan Krnjaic, physicien théoricien au Laboratoire national de l’accélérateur Fermi (Fermilab) aux États-Unis, et Daniel Hooper, célèbre cosmologiste et physicien des astroparticules, auteur de plusieurs ouvrages de vulgarisation dont l’un a été traduit aux éditions Quanto. Dan Hooper est, lui, professeur de physique à l’Université du Wisconsin-Madisonet, directeur du Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center (WIPAC) et c’est a priori un des experts de la matière noire à prendre au sérieux.

On doit donc y regarder à deux fois avant de considérer que le travail aujourd’hui publié est un épicycle de plus concernant une hypothèse qui a déjà donné lieu à plusieurs modèles, au fur et à mesure que les expériences à son sujet se sont révélées décevantes.

La matière noire, un clé de la cosmologie ?

Rappelons quand même que depuis environ 40 ans, les données concernant les mouvements des étoiles dans les galaxies, des galaxies dans les amas de galaxies et enfin certaines des propriétés du rayonnement fossile laissé par le Big Bang pointent toutes vers l’existence de particules d’un type encore jamais isolé dans les collisions de particules ou dans des flux de rayons cosmiques sur Terre. Ces particules inconnues formeraient des distributions de masses bien supérieures à celles de la matière ordinaire qu’elles domineraient donc par leurs champs de gravitation.

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On pourrait aussi détecter indirectement ces particules via des anomalies qu’elles produiraient dans les rayons cosmiques et en tant que sources de rayonnement lumineux atypiques.

Rejoignez Katie Mack, titulaire de la Chaire Hawking en cosmologie et communication scientifique à l’Institut Périmètre, pour un voyage extraordinaire à travers le cosmos dans notre nouvelle série, Cosmologie 101. La cosmologie est l’étude de l’évolution de l’Univers. C’est l’histoire de la création des plus petites particules et atomes qui composent notre propre corps et des forces invisibles qui régissent notre existence. C’est le récit des trous noirs et de la matière sombre, des explosions spectaculaires et du silence grandissant de l’obscurité. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Perimeter Institute for Theoretical Physics

À cet égard, certaines des théories proposées pour rendre compte de l’existence et de la nature des particules de matière noire (qui ne sont pas censées pouvoir produire du rayonnement lumineux elles-mêmes, ou alors très peu, d’où le nom de matière noire ou encore de matière sombre si on traduit son nom en anglais qui est dark matter) supposent qu’elles peuvent se comporter comme des particules avec des antiparticules, c’est-à-dire qu’elles pourraient se désintégrer en entrant en collision comme les électrons et les antiélectrons.

Dans ce type de modèle, on doit s’attendre à ce que ces annihilations se produisent surtout au cœur des galaxies, là où la concentration des particules et antiparticules de matière noire laissée par le Big Bang est maximale. Certaines de ces annihilations devraient produire des rayons gamma. Or justement, le télescope gamma Fermi de la Nasa détecte depuis des années un excès de rayons gamma au cœur de la Voie lactée. Excès, car on ne peut pas rendre compte de l’intensité de ce rayonnement uniquement par des sources astrophysiques classiques, comme des émissions d’étoiles à neutrons par exemple.

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Aucune conclusion solide n’a pourtant été obtenue à cet égard et surtout, on pourrait penser logiquement que si cette hypothèse est la bonne, alors on doit voir des excès de rayonnement gamma avec des galaxies naines de forme quasi-sphérique dont les cœurs doivent aussi être riches, et même extrêmement riches en matière noire selon le modèle cosmologique standard.

Ce n’est pas le cas… Fallait-il donc en conclure que la matière noire ne peut pas s’annihiler avec ses antiparticules en donnant du rayonnement gamma ?

Cette vidéo commence par une plongée en direction du centre de la Voie lactée avec des images prises dans le visible. Elle se termine par une superposition de ces images avec celles prises dans le domaine des rayons gamma avec les instruments de Fermi. Elles montrent une région large de 5 000 années-lumière environ qui est particulièrement brillante en fausses couleurs. Le rouge désigne le maximum de la luminosité. © Nasa, YouTube

Des particules de matière noire sous deux formes ?

Pas du tout, répondent donc aujourd’hui Dan Hooper et ses collègues.

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La théorie qu’ils proposent est un exemple de celle où l’on fait l’hypothèse qu’il y a en fait plusieurs types de particules exotiques qui formeraient les concentrations de matière noire détectées. En l’occurrence et plus précisément, une particule de matière noire pourrait exister en deux états possibles avec des masses différentes et donc dans des états d’énergies doubles.

Lors de collisions entre particules, si elles sont assez violentes, elles font passer d’un état d’énergie à un autre ces particules, tout comme un choc entre deux atomes peut exciter leurs électrons qui passent alors à un autre état d’énergie, ce qui au final correspond à faire passer l’atome lui-même dans un autre d’état d’énergie, un état dit excité.

L’idée centrale dans le nouveau modèle est que seules une particule et une antiparticule de matière noire, chacune dans ces états excités de longue durée, peuvent s’annihiler en donnant du rayonnement gamma.

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Dans les cœurs de grandes galaxies, comme notre Voie lactée, les vitesses des collisions entre particules sont suffisantes pour produire beaucoup d’états excités de matière noire. Mais, dans le cas des galaxies naines, plus petites et moins massives, les champs de gravité étant plus faibles les particules se déplaceraient nettement plus lentement et beaucoup moins d’entre elles seraient excitées, ce qui veut dire aussi qu’on aurait nettement moins de rayonnement gamma – exactement comme on le constate.

C’est ingénieux, mais beaucoup aimeraient sans doute que l’on détecte cette matière noire directement dans les collisions de protons au LHC ou dans celles de son possible successeur d’ici quelques décennies.

Mais la matière noire n’existe peut-être tout simplement pas… Il suffirait peut-être de changer les lois de la mécanique céleste de Newton pour s’en passer afin d’expliquer toutes les observations.