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