Un livre blanc sur l’éventualité qu’un nouveau neutrino d’une masse de l’ordre du keV contribue à la mystérieuse matière noire vient tout juste de paraître. Ce recueil de presque 300 pages, dont Thierry Lasserre (DRF/Irfu/SPP) est l’un des quatre éditeurs, rassemble les contributions d’une centaine de chercheurs de 90 institutions. Il présente un état de l’art tant théorique qu’expérimental sur le sujet en intégrant les apports de tous les domaines concernés : physique des particules, physique nucléaire, astrophysique et cosmologie.
Chaud ? Froid ? ... Tiède ? Si l’existence de la matière noire, cette matière insensible à l’interaction électromagnétique que l’on n’infère que par ses effets gravitationnels, est bien établie expérimentalement, en revanche, on ne sait rien de sa nature. Si ce n’est qu’elle n’est pas composée de particules connues. En nous appuyant sur le modèle cosmologique de plus en plus robuste développé depuis une quinzaine d’années et qui combine les théories de la relativité générale et du modèle standard de la physique des particules, il est d’usage de considérer que cette matière soit non relativiste à l’époque de la formation des structures de l’Univers. Nous l’appelons ainsi matière noire froide. Typiquement, les candidats les plus prometteurs sont des particules interagissant faiblement ayant des masses de 100 MeV à 10 TeV souvent dénommés « mauviettes », traduction amusante de WIMPs. Certaines théories au-delà du modèle standard de la physique des particules, comme les modèles supersymétriques, proposent de tels candidats. Les simulations dans ce contexte reproduisent très bien le contenu de l’univers en termes de grandes structures, amas de galaxies ou structures plus grandes. En revanche, des décalages entre prédictions et observations existent au niveau des structures plus petites. D’où l’idée d’introduire dans le modèle de la matière noire un peu plus rapide et donc ... tiède!
Le neutrino stérile à la rescousse. Ces neutrinos d’un genre particulier apparaissent dans plusieurs extensions du modèle standard. Nos neutrinos familiers n’interagissent que par interaction faible. Or cette interaction ne concerne que les particules de chiralité gauche. Donc nous ne connaissons que des neutrinos gauches. Les autres particules, sensibles aussi à l’interaction électromagnétique et/ou à l’interaction forte, nous sont accessibles dans les deux chiralités, gauche et droite. Un neutrino droit serait donc stérile : inaccessible via les interactions comprises dans le modèle standard. Et si on prend en compte les contraintes imposées par la cosmologie et les observations astrophysiques ce neutrino stérile, pour pouvoir accéder au statut de candidat à la matière noire, doit avoir une masse de l’ordre du keV. Ce qui en fait de la matière noire tiède a priori, bien qu’il puisse aussi contribuer à la matière noire froide selon certains mécanismes de production.
La masse totale de l’amas de galaxies géant CL0025+1654, distant d’environ 4.5 milliards d’années-lumière, courbe la lumière par effet de lentille gravitationnelle et permet de voir des galaxies beaucoup plus lointaines situées en arrière-plan. Cette masse est la somme de la masse visible des galaxies elles-mêmes et de la masse de la matière noire invisible. En comparant la distribution de matière lumineuse et l’effet de lentille gravitationnelle on peut remonter à la distribution de matière noire, représentée ici en bleu. Credit: J.-P. Kneib (Observatoire Midi-Pyrenees, Caltech) et al.
Photo de groupe prise à la conférence NuDark 2015.
Des apports de tout bord. Comme on le voit, pour débroussailler le problème de la matière noire, il faut prendre en compte les contributions de tous les domaines de la physique fondamentale aussi bien théoriques qu’expérimentales. Et il faut aussi écouter toutes les voix et les idées, parce qu’il n’y a pas consensus, ni sur la nature de cette mystérieuse matière, ni sur la qualification de l’hypothétique neutrino stérile comme participant à ladite matière. Ce constat, fait au cours de la conférence NIAPP à l’été 2014, a débouché sur l’envie de créer une base (de données) solide sur laquelle s’appuyer pour rationaliser les recherches, sous la forme d’un livre blanc. La conférence NuDark 2015, co-organisée en décembre 2015 par Thierry Lasserre a permis de finaliser un document de référence pour le futur de la chasse à la matière noire sous forme de neutrino stérile au keV.
Contact : Thierry Lasserre (DRF/Irfu/SPP-APC & TUM-IAS)
