Des astrophysiciens ont étudié comment le futur observatoire CTAO (Cherenkov Telescope Array Observatory) en construction au Chili à Paranal et aux îles Canaries à la Palma, pourrait détecter la matière noire sous forme de WIMPs (particules massives interagissant faiblement).
Ces travaux dirigés par Emmanuel Moulin (Département de physique des particules de l’Irfu) et publiés dans le Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, montrent que CTAO pourrait être bien plus sensible que les instruments actuels pour repérer ces particules mystérieuses dans la plage de masse du TeV et au delà.Cette étude examine la capacité des 3 types d’expérience :
- les recherches menées dans les accélérateurs de particules (au LHC),
- les expériences de détection directe (comme Xenon1T au laboratoire du Gran Sasso ou LUX-ZEPLIN dit LZ aux US)
- et le futur observatoire CTAO (Cherenkov Telescope Array Observatory)
à détecter des signaux de matière noire en utilisant deux cadres théoriques : la Théorie effective des Champs (TEC) et les Modèles Simplifiés. Ce traitement commun permet une comparaison objective entre ces différentes methodes expériementales.
Pour des WIMPs de masse proche du TeV (1 000 fois la masse d’un proton), CTAO pourrait améliorer d’un facteur 10 la sensibilité aux signaux d’annihilation de matière noire par rapport à telescope Cherenkov actuel en fonction comme H.E.S.S. Ces résultats soulignent la complémentarité unique entre CTAO, les expériences de détection directe et les recherches en collisionneurs pour explorer une large gamme de scénarios de matière noire, et démontrent que les observations de CTAO permettront d’accéder à la plage en masse encore inexplorée du TeV et inaccessible par les autres expériences.
Rappel des méthodes expérimentales
- Recherches en collisionneurs (ex. : ATLAS, CMS). On cherche à produire directement des WIMPs dans des collisions proton-proton, en observant des états finaux spécifiques avec de l’énergie manquante (signature typique des particules invisibles) et des traces d’un éventuel médiateur (particule intermédiaire reliant la matière noire au Modèle Standard).
- Détection directe (ex. : XENONnT, LZ, PandaX). On tente de détecter les chocs entre WIMPs et noyaux atomiques ou électrons dans des détecteurs souterrains ultra-sensibles, utilisant des matériaux comme le xénon liquide ou des semi-conducteurs.
- Détection indirecte (ex. : CTAO, H.E.S.S, Fermi-LAT). On recherche les produits de l’annihilation ou de la désintégration des WIMPs (rayons gamma, neutrinos, particules chargées) dans l’Univers, notamment au centre de la Voie lactée.
Une approche unifiée pour comparer les différentes expériences
Jusqu’à présent, chaque expérience (collisionneurs, détection directe, observations gamma) présentait ses résultats séparément. Pour combiner ces données, les physiciens utilisent désormais une théorie effective des champs (TEC) : une méthode qui ajoute « manuellement » un candidat WIMP ainsi que les interactions nécessaires avec les champs du Modèle Standard, où les paramètres de la théorie sont la masse du WIMP et M* l’échelle de masse de validité de la TEC.
Pour s’affranchir des limitations de cette approche, un cadre basé sur des « modèles simplifiés » par rapport aux théories complètes comme la SUSY. On introduit ici de nouveaux paramètres :
- la masse de la particule médiatrice de l’interaction Mmed,
- et son couplage avec la particule de matière noire gχ et les quarks gq.
Dans ces deux approches, quatre types d’interactions sont considérées (scalaire OS, pseudo-scalaire OP, vecteur OV, axial-vecteur OA) représentant quatre particles de matière noire distinctes.
Ces calculs analytiques permettent de calculer les probabilités d’annihilation et de diffusion, des différentes éxperiences, par exemple leur taux d’annihilation dans les galaxies et de diffusion sur les noyaux.
Le rôle clé des simulations pour les recherches au cœur de notre galaxie et en laboratoire souterrain
Pour connaitre les distributions des particules de matière noire (en densité numérique et en vitesse) dans notre galaxie, les scientifiques utilisent des simulations hydrodynamiques avancées pour prédire ces distributions au centre de notre galaxie et au voisinage du Soleil. Jusqu’à présent, les simulations se concentraient surtout sur la matière noire seule, mais ces nouvelles simulations intègrent aussi l’influence de la matière ordinaire (comme les étoiles et le gaz) sur la répartition et le mouvement de la matière noire dans la la Voie Lactée, en particulier au cœur de notre galaxie, et dans le voisinage du Soleil qui sont pertinents pour evaluer le flux attendu dans les détecteurs souterrains.
Ces simulations, appelées Fire-2, sont parmi les plus précises à ce jour. Elles s’appuient notamment sur les données du satellite Gaia, qui cartographie notre galaxie avec une précision inédite. Grâce à elles, les chercheurs peuvent mieux estimer comment la matière noire pourrait se répartir dans la Galaxie (se détruire en produisant des signaux détectables) et avec quelle vitesse.
Exemple de résultat de sensibilité des expériences pour 2 cas de particules de matière noire possibles (couplage vectoriel à gauche et pseudo-vecteur à droite) :
Ces deux figures présentent des limites actuelles sur le paramatre l’échelle de masse M* de la Thérorie effective ChampTEC, en fonction de la masse du WIMP mX pour les 3 experiences: celles des recherches directes avec les expériences Xenon1T et LZ, celles menées auprès du LHC, et celles de CTAO au centre de la Voie Lactée.
- Le contour M∗ = 2mχ par une ligne pointillée noire, pour lequel seule la région située au-dessus de cette ligne est cinématiquement accessible.
- Pour CTAO: zone bleue : ancienne simulation et zone verte, simulation actuelle mise à jour avec les meilleurs inputs
- Les zones rouges et oranges représentent les limites inférieures à 90 % de niveau de confiance, dérivées respectivement des mesures de Xenon1T et LZ.
- La limite inférieure à 95 % de niveau de confiance, issue d’une combinaison des recherches ATLAS et CMS, est représentée par la ligne violette.
- La zone grisée représente la région de l’espace des paramètres permettant de retrouver l’abondance relique de matière noire mesurée par les mesures de Planck.
Les futures observations CTAO (zone verte) permettront de sonder des valeurs de M* pour des masses de WIMPs allant jusqu’à 100 TeV. Dans le cas pseudo-scalaire (à droite), CTAO présente une sensibilité unique et permettra de sonder des valeurs de M* et mX qui sont compatibles avec l’abondance de matière noire mesurée dans l’univers (region grisée).
Avec l’accumulation des données par CTAO du programme d’observations garanti matière noire au centre galactique, l’augmentation de la statistique en photons de tres hautes énergies permettra de sonder plus encore l’espace des paramètres de la TEC et d’être sensible à des valeurs de l’echelle en masse de la TEC plus grande.
Combiné à ces nouvelles approches théoriques et simulations cosmologiques les plus à jour, le programme CTAO matiere noire au TeV est un acteur clé car:
- il sondera la région la plus pertinente dans l’espace des paramètres des théories des WMPS (masse, couplage)
- il aura une sensibilité unique dans la plage de masse entre 1 et 100 TeV
- il sondera l’endroit le plus priviliégié pour trouver des WIMPS, c-a-d le centre galactique
Dans les années à venir, CTAO pourrait bien révolutionner la recherche de ces WIMPS en les détectant ou en les excluant, et offrira une vision plus précise de ce mystère cosmique.
Contact: Emmanuel MOULIN (Irfu/DPhP)
Reference:
I. Reis et al., The complementary of CTAO, direct detection and collider searches for dark matter in Effective Field Theories and Simplified Models, JCAP 02 (2026) 015