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FRANçOtSE COMBES
POTJR DIMASQLJER LA
MATIERT NOIRE
TOUTES LES PISTTS
SONT BONNES
e 21 juillet, lors d'une conférence à Sheffield en
Angleterre, les scientifiques de I'expérience LUX (Large
Underground Xenon) ont annoncé qu'après vingt mois
de recherche, leur expérience n'avait détecté aucune parti-
cule de matière noire. LUX, qui contient un tiers de tonne de
rénon liquide, est à ce jour I'expérience la plus performante
dans son domaine. Elle est même 4 fois plus sensible que
prér'u. Le détecteur placé dans une ancienne mine d'or dans
le Dakota du Sud (États-Unis) aurait dû percevoir une faible
lumière et une charge électrique si I'une des milliards de
particuies de matière noire qui nous traversent avait inter-
agi avec un noyau de xénon, Cette expérience est optimisée
pour détecter les Wimps (acronyme pour Weahly Interacting
Massive Particles). D'une masse qui pourrait être de I'ordre
de 100 fois la masse du proton, celles-ci comptent parmi les
meilleures candidates pour la matière noire.
La majorité de la matière dans I'IJnivers est invisible.
Elle ne se manifeste que par sa gravité, Depuis 1934, les
astronomes savent que, pour expliquer la dynamique des
galaxies et des amas de galaxies, il faut supposer l'exis-
tence de beaucoup plus de matière que celle que I'on voit
sous forme d'étoiles ou de gaz interstellaire. Mais cela ne
fait que trente ans qu'ils sont convaincus que cette matière
ne peut pas être de même nature que la matière ordinaire
dont nous sommes faits : protons, neutrons, ou de façon
générique les "baryons". Pollr expliquer la formation
des galaxies juste après le big bang, il y a 13,7 milliards
d'années, il faut avoir recours à de grandes quantités de
matière noire non baryonique, composée de particules
exotiques, que personne encore n'a pu mettre en évidence
dans les grands accélérateurs de particules.
Pourtant le LHC (Large Hadron Collider) au Cern fonc-
tionne avec des performances remarquables. Il a permis en
2O12 de détecter le boson de Higgs, qui a confirmé le modèle
standard des particules. Ce boson a une masse du même
ordre de grandeur que celle attendue pour les Wimps, et
ces dernières auraient pu être découvertes. En particulier le
neutralino, qui est Ia meilleure candidate Wimp, C'est la plus
stable d'une série de particules imaginées par les théoriciens.
symétriques des particules connues du modèle standard.
Mais jusqu'à aujourd'hui, les expériences au LHC n'ont
apporté aucune évidence de I'existence de cette "super-
symétrie". Bien sûr, il est possible que ces particules soient
plus massives que prévu, et n'aient pas encore pu être for-
mées et détectées au LHC. D'autre part, les expériences sou-
terraines de détection directe de ces particules, de plus en
plus sensibles, se poursuivent. L'expérience LUX doit s'asso-
cier à l'expérience Zeplïn, pour devenir LZ, près de Z0 fois
plus sensible, avec 10 tonnes de xénon liquide, L'expérience
européenne Xenon-1T, disposant de 3,5 tonnes de xénon. a
pour sa part démarré ses mesures en novembre 2015 dans
le tunnel du Gran Sasscr.

Même si au terme de cette recherche les Wimps ne sont
toujours pas détectées, d'autres particules candidates pour-
raient prendre le relais pour rendre compte de la matière
noire. Parmi celles les plus étudiées, figurent les neutrinos
stériles, dont la masse pourrait être environ 100 fois plus
petite que celle d'un électron. Ces neutrinos sont appelés
stériles car ils n'interagissent pas avec le reste de la matière
comme les neutrinos connus auiourd'hui, appelés " actit's" '
Les axions (particules de masse infiniment petite' inventées
pour résoudre un problème de violation de symétrie dans
les particules élémentaires classiques) pourraient aussi
jouer un rôle. D'autres particules encore plus exotiques
ont été imaginées par les physiciens, avec des propriétés
qui s'éloignent encore plus des extensions du modèle stan-
dard des particules et de Ia physique' Des solutions d'un
autre genre font appel à des dimensions supplémentaires de
I'espace-temps, où seule la gravitation pourrait se propa-
ger. Les particules nous apparaÎtraient alors plus massives
qu'elles ne sont en réalité.
Enfin, dans l'état de crise où se trouve le problème de
1a matière noire, certains sont même prêts à faire revivre
l'hypothèse des trous noirs primordiaux (voir article précé-
dent). Il y a vingt ans déjà, au terme de recherches d'objets
sombres par des expériences de microlentilles gravitation-
nelles, elle était pourtant apparue comme très peu pro-
bable. Ces expériences s'appuyaient sur le fait que, si des
objets compacts existent en grand nombre, ils devraient
dévier les rayons lumineux en leur voisinage' En observant
les Nuages de Magellan pendant plusieurs années, les expé-
riences Machos ou Eros avaient éliminé toute une gamme
de masses pour des objets compacts. Ne restaient plus que
des masses très petites, confinées dans une gamme res-
[einte... que I'on explore aujourd'hui.
Et si finalement cette matière noire n'existait pas ? Si la
,J1-namique des galaxies et des amas de galaxies s'expliquait
par une très légère modification de Ia loi de Ia gravité' dans
Ces régimes où celle-ci est très faible, plutôt que par l'ajout
d'une masse inconnue ? Ces régimes faibles n'existant pas
sur Terre, cela expliquerait pourquoi nous n'aurions pas pu
Èncore détecter les effets de cette modification de la loi de
\e$ton. Les observations détaillées des vitesses de rotation
rles galaxies nous indiquent comment elle doit être modi-
ilée : à chaque fois que I'accélération devient plus petite
qu'une constante universelle égale à 1 A par seconde car-
:ee. alors Ia force de gravitation ne décroÎt plus comme le
-arré de la distance. mais seulenent comme la distance' Et
-a force d'a$racti",n n'est plus proportlonnelle à la masse
du corps qui attire, mais à sa racine carrée' La force de gra-
vité reste alors d.ans ce régime plus intense que ce que pré-
voit la loi de Newton. Si nous interprétons les observations
à Ia lumière de la loi de Newton non modifiée, ceci nous
fait croire qu'il y a plus de masse qu'il n'y a en réalité' Bien
sûr, la modification de Ia loi de la gravitation impliquerait
beaucoup de conséquences, dont I'impact n'est encore pas
totalement compris, que ce soit pour les amas de galaxies
à grande échelle, ou pour le début de I'Univers' Cette piste
est aujourd'hui explorée activement, même si elle est ardue
car il n'est pas facile de modifier Ia version actuelle de Ia loi
de la gravitation, la théorie de la relativité générale d'Eins-
tein. Il faut noter toutefois qu'elle a reçu un fort encou-
ragement par Ia découverte en 1998 de I'accélération de
I'expansion de I'Univers. Cette découverte a en effet obligé
les astronomes à inventer un nouveau composant de I'Uni-
vers, l'énergie noire, dont 1'effet répulsif pourrait expliquer
I'accélération de l'expansion (car Ia matière seule doit au
contraire la ralentir)' Une gravité modifiée, elle, pourrait
expliquer I'accélération de l'expansion sans recours à un
hypothétique secteur noir de I'Univers, énergie et matière'
comptant aujourd'hui pour 95 % de son contenu total'
Quelle que soit la direction privilégiée par les ph1'si-
ciens ou les astronomes pour leurs études, il est certain
maintenant que le problème de la matière noire ne va pas
être résolu demain, Même si des particules nouvelles sotlt
détectées au LHC, il faudra prouver qu'elles possèdent ia
stabilité requise et existent en nombre suffisant dans l'Lni-
vers pour compter pour B0 % de la matière totale. Il existait
pour le Wimp un "miracle", une coïncidence, qui le faisait
exactement correspondre à toutes les propriétés recher-
chées. Apparemment, ce n'est toutefois pas la solution
choisie par la nature.,. De même, si des particules étaient
enfin trouvées par les détecteurs souterrains comrne LL\'
il faudrait un certain temps pour comprendre quelle es:
leur nature, et à quelle extension de la théorie des pa:::-
cules elles correspondent, Les théories d'une grat-ité nt'-c'-
fiée ne sont elles aussi qu'au début de leur développenen:'
Au milieu d'une telle incertitude, il est difficile de prir iie-
gier une piste plutôt qu'une autre I e
Spécialiste de la formation ei :e
l'évolution des galaxies. Francoise Cor:'bes
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cosmologie au Col à:= ==i-=---z -= z
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