Lorsque nous observons l’Univers – même avec le plus puissant des télescopes – nous ne voyons qu’une “matière noire”. Jusqu’à présent, les scientifiques n’ont pas réussi à la détecter, bien qu’ils aient passé des dizaines d’années à la chercher. La matière noire est une fraction de la matière dont nous savons qu’elle doit être présente. En fait, pour chaque gramme d’atomes dans l’Univers, il y a au moins cinq fois plus de matière invisible appelée “matière noire”
Si nous savons qu’elle existe, c’est grâce à l’attraction gravitationnelle des amas de galaxies et à d’autres phénomènes que nous observons. La matière que nous pouvons voir dans un amas n’est pas suffisante pour le maintenir ensemble par la seule gravité, ce qui signifie qu’une matière supplémentaire invisible ou obscure doit être présente. Mais nous n’avons aucune idée de ce qu’elle est – elle pourrait être composée de nouvelles particules non encore découvertes.
Il existe quatre forces fondamentales avec lesquelles une particule de matière noire pourrait interagir. Il y a la force forte qui lie le noyau atomique, la force faible qui régit la désintégration de particules telles que la radioactivité, la force électromagnétique qui sert d’intermédiaire entre les particules chargées et la force gravitationnelle qui régit l’interaction gravitationnelle. Pour observer la matière dans l’espace, il faut qu’elle interagisse par le biais de la force électromagnétique, car cela implique la libération de lumière ou d’autres rayonnements électromagnétiques qu’un télescope peut enregistrer.
Il existe déjà un certain nombre de candidats, chacun ayant sa propre façon d’interagir. Toutefois, certaines théories ont plus de chances d’aboutir que d’autres. Voici les cinq candidats aux particules qui, selon moi, ont le plus de chances de réussir.
1. La WIMP
La particule massive à faible interaction, ou “WIMP”, est une particule hypothétique qui semble prometteuse. Elle serait complètement différente du type de matière que nous connaissons et interagirait via la force électromagnétique, ce qui expliquerait pourquoi elles sont largement invisibles dans l’espace. Environ 100 000 d’entre elles traverseraient chaque centimètre carré de la Terre chaque seconde, interagissant uniquement avec la matière environnante via la force faible et la gravité.
Si les WIMP existent, la modélisation mathématique montre qu’il doit y en avoir environ cinq fois plus que la matière normale, ce qui coïncide avec l’abondance de matière noire que nous observons dans l’Univers. Cela signifie que nous devrions être en mesure de les détecter par le biais de leurs collisions, car celles-ci feraient reculer les particules chargées sur Terre, produisant la lumière que nous pouvons observer dans des expériences telles que XENON100.
Les WIMP ont fait l’objet de nombreuses recherches approfondies, notamment au-delà du modèle standard de la physique, qui a prédit de manière indépendante qu’une telle particule devait exister – une coïncidence surnommée le “miracle WIMP “.
2. L’axion
Les axions sont des particules de faible masse, qui se déplacent lentement, n’ont pas de charge et n’interagissent que faiblement avec d’autres matières, ce qui les rend difficiles – mais pas impossibles – à détecter. Seuls les axions d’une masse spécifique seraient en mesure d’expliquer la nature invisible de la matière noire – s’ils étaient plus légers ou plus lourds, nous pourrions les voir. Et si les axions existent, ils pourraient se désintégrer en une paire de particules de lumière (photons), ce qui signifie que nous pourrions les détecter en recherchant de telles paires. Des expériences telles que l’expérience Axion sur la matière noire recherchent actuellement des axions de cette manière.
3. Le MACHO
MACHO est l’acronyme de “massive astrophysical compact halo object ” (objet massif compact de halo astrophysique) et a été l’un des premiers candidats proposés pour la matière noire. Ces objets, dont les étoiles à neutrons, les naines brunes et les naines blanches, sont composés de matière ordinaire. Alors comment peuvent-ils être invisibles ? La raison en est qu’ils n’émettent que très peu de lumière, voire aucune.
L’une des façons de les observer est de surveiller la luminosité des étoiles lointaines. Comme les rayons lumineux se courbent lorsqu’ils passent à proximité d’un objet massif, la lumière provenant d’une source éloignée peut être focalisée par un objet plus proche et produire un éclaircissement soudain de l’objet distant. Cet effet, connu sous le nom de lentille gravitationnelle, dépend de la quantité de matière, tant normale qu’obscure, présente dans une galaxie – nous pouvons l’utiliser pour calculer la quantité de matière qui s’y cache. Cependant, nous savons maintenant qu’il est peu probable que ces corps sombres puissent s’accumuler en quantité suffisante pour constituer l’immense quantité de matière noire existante.
4. La particule de Kaluza-Klein
La théorie de Kaluza-Klein repose sur l’existence d’une “cinquième dimension” invisible, enroulée dans l’espace, en plus des trois dimensions spatiales que nous connaissons (hauteur, largeur, profondeur) et du temps. Cette théorie, précurseur de la théorie des cordes, prédit l’existence d’une particule qui pourrait être une particule de matière noire, qui aurait la même masse que 550 à 650 protons (ceux-ci constituent le noyau atomique avec les neutrons).
Aucun signe de Kaluza pour le moment. Image Editor/Flickr, CC BY
Ce type de particule pourrait interagir à la fois via l’électromagnétisme et la gravité. Cependant, comme elle est enroulée dans une dimension que nous ne pouvons pas voir, nous ne pourrions pas l’observer en regardant simplement le ciel. Heureusement, la particule devrait être facile à rechercher dans les expériences, tout comme les neutrinos et les photons. Cependant, de puissants accélérateurs de particules comme le Grand collisionneur de hadrons doivent encore la détecter. se désintègrent en particules que nous pouvons mesurer – en
5. Le gravitino
Les théories combinant la relativité générale et la “supersymétrie” prédisent l’existence d’une particule appelée gravitino. La supersymétrie, qui est une théorie à succès expliquant de nombreuses observations en physique, stipule que toutes les particules “bosons” – telles que le photon (particule de lumière) – ont un “superpartenaire”, le photino, dont la propriété appelée “spin” (un type de moment angulaire) diffère d’un demi-entier. Le gravitino serait le superpartenaire de l’hypothétique “graviton”, censé être le médiateur de la force de gravitation. Et dans certains modèles de supergravité où le gravitino est très léger, il pourrait expliquer la matière noire.